今天給大家介紹的是：電池充電器反向保護

一、傳統處理電源電壓反轉方法

處理電源電壓反轉有一些眾所周知的方法，最明顯的解決方案是在電源和負載之間連接一個(gè)二極管，但二極管的正向電壓會(huì )導致功耗增加。在實(shí)際應用二極管并不可取，因為電池在充電時(shí)必須吸收電流，在不充電時(shí)必須提供電流。

另一種方法是使用 MOS電路，如下所示。

該技術(shù)的比在負載側電路中使用二極管會(huì )更好一點(diǎn)，因此電源電壓會(huì )升壓MOS，從而降低壓降并顯著(zhù)提高電導。

由于分立NMOS管具有更強的導電性，成本更低，可用性也更高，因此 NMOS 版本比 PMOS 版本好，當電池電壓為正時(shí)，兩個(gè)電路中的MOS管均導通，當電池電壓反向時(shí)，則斷開(kāi)。

PMOS管版本具有較高電勢，而 NMOS管版本具有較低電勢，因此 MOS管的物理”漏極“成為電源。

MOS管 在兩個(gè)方向上都能很好地傳導電流，因為它們在三極管區域中是電對稱(chēng)的。使用此方法時(shí)，晶體管的最大 VGS 和 VDS 額定值必須高于電池電壓。

傳統負載側反接保護

不過(guò)，該解決方案只適用于負載側電路，不使用電池充電電路。電池充電器提供電源，重新啟用MOS管，并恢復電池反向連接。下圖顯示了正在運行的 NMOS管版本，電池處于故障狀態(tài)。

帶一個(gè)電池充電器的負載側保護電路

當電池插入時(shí)，電池充電器關(guān)閉，并且負載和電池充電器與反向電池安全分離。當充電器打開(kāi)時(shí)（例如連接輸入電源連接器），NMOS 的柵極和源極之間會(huì )產(chǎn)生電壓，從而提高 NMOS 的傳導電流的能力。下圖更詳細地描述了這一點(diǎn)。

統電池反向保護方案對電池充電器電路無(wú)效

盡管負載和充電器受到反向電壓保護，但保護性 MOSFET 仍面臨高功耗問(wèn)題。然后電池充電器變成電池放電器。當電池充電器為 MOSFET提供足夠的柵極支持以吸收充電器電流時(shí)，電路將達到平衡。

如果大功率 MOS管 的 VTH 約為 2V，并且充電器可以提供 2V 電流，則電池充電器輸出電壓將調節在 2V（MOS管 漏 極為 2V + 電池電壓） 。ICHARGE?(VTH+VBAT) 是MOS管中的功耗 ，這會(huì )導致 MOS管 加熱并從印刷電路板上散熱。該電路的 PMOS 版本也是如此。

下面介紹了此方法的兩種替代方法，每種方法都有自己的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。

二、N 溝道 MOSFET 設計

1、第一種解決方案時(shí)使用NMOS隔離器件

根據電路算法，如果電池電壓超過(guò)電池充電器輸出電壓，則必須禁用隔離MOS管。

在此電路中，MN1 連接在充電器/負載和電池端子之間的電線(xiàn)的低壓側，像上面的 NMOS 管方法中的情況一樣。

然而，在電池反向連接的情況下，晶體管 MP1 和 Q1 現在提供禁用 MN1 的檢測電路。通過(guò)將電池反接， MP1的來(lái)源 上升到其柵極上方，該柵極連接到充電器的正極端子。接著(zhù) MP1的漏極通過(guò) R1 向 Q1 的基極提供電流。然后，MN1 的柵極通過(guò) Q1 分流至地，從而防止充電電流流入 MN1。

電池反接電路

在反向檢測期間，R1 負責管理流向 Q1 的基極電流，而 R2 負責在正常工作期間為 Q1 的基極提供泄放電流。R3 允許 Q1 將 MN1 的柵極拉至地電位。R3/R4 分壓器控制 MN1 柵極上的電壓，使柵極電壓在反向電池熱插拔期間下降得更小。

最壞的情況是當反向電池連接到已經(jīng)運行并提供恒定電壓水平的電池充電器時(shí)。在這種情況下，必須盡快關(guān)閉 MN1，以減少高功率消耗的時(shí)間。

該版本電路中的 R3 和 R4 最適合 12V 鉛酸電池應用，但在單節和兩節等較低電壓應用中可以省略 R4 鋰離子 設備。在電池反向連接期間，電容C1 充當超快速電荷泵，降低 MN1 的柵極電平。當連接反向電池時(shí)，C1 在充電器再次啟用的最壞情況下很有用。

電池反接電路

該電路的缺點(diǎn)是需要使用額外的元件，并且 R3/R4 分壓器對電池造成較小但持續的壓力。

大多數此類(lèi)組件都很小。MP1 和 Q1 不是功率器件，通常采用 SOT23-3、SC70-3 或更小的 SOT23-3、SC70-3 或更小的 SOT23-3、SC70-3 或更小的 SOT23-3、SC70-3、或更小的S.

因為MN1是傳輸器件，所以應該具有優(yōu)良的導電性，但不需要特別大。

即使對于中等導電器件，其功耗也很低，因為它工作在深三極管區域并且具有很強的柵極強化。例如，寬度小于 100m 的晶體管通常采用 SOT23-3 封裝。

電池反擊電路

利用微小的傳輸晶體管的缺點(diǎn)是，由于與電池充電器串聯(lián)的電阻增加，導致恒壓充電階段的充電時(shí)間增加。如果電池及其連線(xiàn)等效串聯(lián)電阻為100m，并采用100m隔離晶體管，則恒壓充電階段的充電時(shí)間會(huì )增加。

MP1 和 Q1 的檢測和停用電路無(wú)法很快停用 MN1，而且也不必如此。在電池反向連接期間，MN1 消耗大量電量，但關(guān)斷電路只是“最后”斷開(kāi) MN1。MN1 必須在加熱到造成傷害之前斷開(kāi)連接。

幾十微秒的斷開(kāi)時(shí)間可能就足夠了。然而，在反向電池有機會(huì )將充電器和負載電壓拉至負值之前禁用 MN1 至關(guān)重要，因此需要 C1。該電路本質(zhì)上具有一條交流和一條 直流 禁用路徑。

2、測試電路

使用鉛酸電池和 LTC4015 電池充電器來(lái)測試該電路。當反向電池熱插拔時(shí)，電池充電器關(guān)閉，如下圖所示，充電器和負載不受反向電壓的影響。

充電器關(guān)閉狀態(tài)下的 NMOS 保護電路

值得一提的是，MN1 要求 VDS 與電池電壓相同，VGS 為電池電壓的 1/2。MP1 需要與電池電壓相同的 VDS 和 VGS 額定值。

當反向電池熱插拔時(shí)，下圖描述了更嚴重的情況，其中電池充電器已經(jīng)正常運行。電池反向連接會(huì )降低充電器的電壓，直到檢測和保護電路將其關(guān)閉，從而使充電器能夠安全地恢復到其恒定電壓水平。

一種應用與另一種應用的動(dòng)態(tài)會(huì )有所不同，并且電池充電器的電容將對最終輸出產(chǎn)生重大影響。本測試中的電池充電器具有高 Q 值陶瓷電容和低 Q 值聚合物電容。

充電器運行時(shí)的NMOS保護電路

最后，在電池充電器上，建議使用鋁聚合物和鋁電解電容，以提高常規正極電池熱插拔期間的性能。

由于其嚴重的非線(xiàn)性，純陶瓷電容在熱插拔時(shí)會(huì )產(chǎn)生相當大的過(guò)沖；其原因是，當電壓從 0V 升至額定電壓時(shí)，它們的電容會(huì )下降驚人的 80%。這種非線(xiàn)性會(huì )導致低電壓下的快速電流和電壓升高時(shí)電容快速減小的致命組合，從而導致非常高的電壓過(guò)沖。

最有彈性的組合似乎是陶瓷電容與低 Q 電壓穩定鋁電容甚至鉭電容配對。

三、P 溝道 MOSFET 設計

1、PMOS 晶體管作為保護器件

本電路中 MP1為電池反接檢測器件， MP2 為反接隔離器件。使用 MP1 的源極至柵極電壓將電池的正極端子與電池充電器輸出進(jìn)行比較。 如果電池充電器端電壓高于電池電壓，MP1將禁用主傳輸裝置 MP2 。

結果，如果電池電壓被驅動(dòng)至低于地電壓，則檢測器件 MP1將明顯導致傳輸器件MP2關(guān)斷（干擾其柵極到其源極）。無(wú)論電池充電器是否啟用并創(chuàng )建充電電壓，都會(huì )完成此操作（0V）。

PMOS 晶體管傳輸元件版本

該電路最顯著(zhù)的好處是 PMOS隔離晶體管 MP2 無(wú)權向充電器電路或負載提供負電壓。下圖顯示了這一點(diǎn)。

通過(guò) R1，MP2 柵極上可達到的最低電壓為 0V。盡管 MP2 的漏極被拖至地底以下，但源極并未施加顯著(zhù)的電壓下行壓力。晶體管將自行去偏壓，其導電性將逐漸消失，直到源電壓降至 VTH（此時(shí)晶體管高于地電壓）。

晶體管的去偏壓程度越高，源電壓越接近地。這一特性加上簡(jiǎn)單的拓撲結構，使得該方法比之前討論的 NMOS 方法更具吸引力。與 NMOS 方法相比，PMOS 晶體管的缺點(diǎn)是電導率較低且成本較高。

共源共柵效應說(shuō)明

盡管該電路比 NMOS 技術(shù)簡(jiǎn)單，但它有一個(gè)很大的缺點(diǎn)。雖然它始終可以防止反向電壓，但電路可能并不總是連接到電池。

當門(mén)如圖所示交叉耦合時(shí)，該電路會(huì )生成鎖存存儲元件，該元件能夠拾取不正確的狀態(tài)。有一種情況，當充電器產(chǎn)生電壓（比如12V）時(shí)，電池以較低的電壓（比如8V）連接，并且電路被拔掉，這很難執行。

在這種情況下，MP1 的源極至柵極電壓為 +4V，這會(huì )增強 MP1，同時(shí)禁用 MP2。下圖 描述了這種情況，并給出了節點(diǎn)的穩定電壓。

使用 PMOS 保護電路時(shí)可能的阻斷狀態(tài)圖

當連接電池時(shí)，充電器必須已經(jīng)運行才能實(shí)現這種情況。如果在充電器打開(kāi)之前連接電池，電池會(huì )拉高 MP1 的柵極電壓，從而停用 MP1。當充電器打開(kāi)時(shí)，它會(huì )產(chǎn)生受控電流（而不是大電流浪涌），這會(huì )減少 MP1 打開(kāi)而 MP2 保持關(guān)閉的機會(huì )。

如果在連接電池之前啟用充電器，MP1 的柵極將簡(jiǎn)單地跟隨電池充電器輸出，因為泄放電阻器R2 將其上拉。當電池未插入時(shí)，MP1 不會(huì )打開(kāi)并使 MP2 停止運行。

當充電器已打開(kāi)且電池已連接時(shí)，就會(huì )出現問(wèn)題。在這種情況下，充電器輸出和電池端子之間存在短暫的電壓差，導致當充電器電容器由于電池電壓而下降時(shí)，MP1 禁用 MP2。這導致 MP2 從充電器電容吸取電荷的能力與 MP1 禁用 MP2 的能力之間的斗爭。

2、測試電路

使用鉛酸電池和 LTC4015 電池充電器來(lái)測試電路。

將嚴重負載的 6V 電源（例如電池仿真）連接到已啟用的電池充電器將永遠不會(huì )觸發(fā)“斷開(kāi)連接”情況。所進(jìn)行的測試還不夠，重要的應用程序應該進(jìn)行廣泛的測試。即使電路鎖定，斷開(kāi)并重新啟用電池充電器也始終會(huì )導致重新連接。

在R1的頂部和電池充電器的輸出之間臨時(shí)連接可以用來(lái)指示故障情況。另一方面，該電路被認為更容易發(fā)生連接。如果發(fā)生連接故障，可以創(chuàng )建一個(gè)電路，使用多個(gè)設備禁用電池充電器。下圖顯示了更完整的電路。

更高電壓電池反接保護

當充電器關(guān)閉時(shí)，下圖顯示了 PMOS 保護電路的效果。需要注意的是，電池充電器和負載電壓永遠不會(huì )遇到負電壓傳輸。

充電器關(guān)閉時(shí)的PMOS 保護電路

在“反向電池熱插拔時(shí)充電器已經(jīng)運行”的不利情況下，電路如下所示。反向電池與 NMOS 電路一樣，在斷開(kāi)電路并關(guān)閉傳輸晶體管 MP2 之前會(huì )稍微降低充電器和負載電壓。

在該版本的電路中，晶體管 MP2 必須能夠承受兩倍于電池電壓的 VDS（一個(gè)用于充電器，一個(gè)用于反向電池），并且 VGS 等于電池電壓。

另一方面，MP1 必須維持等于電池電壓的 VDS 和兩倍于電池電壓的 VGS。這是很麻煩的，因為 MOSFET 晶體管的額定 VDS 總是超過(guò)額定 VGS。對于鉛酸電池應用，可以使用具有 30V VGS 和 40V VDS 容差的晶體管。為了支持更高電壓的電池，必須通過(guò)添加齊納二極管和限流電阻來(lái)修改電路。

充電器運行時(shí)PMOS保護電路

下圖顯示了能夠處理兩個(gè)串聯(lián)堆疊的鉛酸電池的電路示例。

更高電壓電池反接保護

D1、D3 和 R3 可以保護 MP2 和 MP3 的柵極免受高壓損壞。當熱插反電池時(shí)，D2 可防止 MP3 的柵極和電池充電器的輸出快速下降至低于接地電壓。當電路出現電池反接或處于錯誤斷開(kāi)鎖定狀態(tài)時(shí)，MP1 和 R1 使用 LTC4015 缺失的 RT 功能來(lái)禁用電池充電器。

來(lái)源：
https://www.utmel.com/blog/categories/integrated%20circuit/reverse-voltage-protection-for-battery-chargers