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想快速学习电源防接反技术,此文足矣!

2020-09-16 09:55 来源:互联网 编辑:Emma

无论你是白领还是工程师,生活中必不可少就是电源。干什么都离不开电源,无论是消费电子还是生活用电,这都是我们生活必须品!这种情况下,其充电接口都是标准的接插件,不存在接线的情况,更不会存在电源接反的情况。但是,在工业、自动化应用中,有很多产品是需要手动接线的,即使操作人员做事情再认真,也难免会出错。如果把电源线接反了,可能会导致产品被烧掉。

那如果在设计产品的时候,就考虑了电源防接反而设计了防接反电路是不是会方便很多呢?今天就来讨论一下如何实现电源防接反,电源防接反的电路有哪些。

1.使用二极管防止电源接反

二极管就有单向导电的特性,在二极管的两端加上合适的正向电压后,二极管导通;而如果加上反向电压后,二极管截止。利用二极管的这个特性可以实现电源的防接反电路,将二极管正向串联在电路中即可。使用二极管搭建的电源防接反电路如图2所示。

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图2- 二极管防反接电路

二极管防反接电路分析

将二极管正向串联在电路中,如果电源接线正确的话,PN节正偏使二极管导通,负载得电工作,二极管产生(0.7-3)V的电压降。如果二极管反接的话,PN节处于反偏状态,电阻非常大,电路不通,从而保护了负载的安全。

电路仿真

电路仿真如图3所示,左图电源的接线是正确的,负载LED被点亮;右图电源的接线反了,负载LED不工作。由此可见二极管可以实现电源防反接功能,电源接反后,电路不通,负载不工作,而不会把负载烧坏。

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图3 - 电路仿真

二极管防反接电路的优缺点分析

该电路的优点很明显,电路简单,实用性较强,关键成本很低。但是却存在几个缺点,如下:

缺点一:二极管具有正向电压降,压降范围为(0.7-3)V,对于低电压而言可能不适用,分压后可能导致负载电压不够。

缺点二:二极管的耐压很高,但是过电流能力有限,例如4007二极管的最大正向连续电流约为1A。

MOS管是一种压控型的半导体器件,应用广泛,可以分为P-MOS和N-MOS,具有三个电极,分别为栅极G、漏极D和源极S。可以使用该器件来实现电源的防反接,使用P-MOS实现防反接的电路示意图如图4所示。

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图4 - PMOS防反接电路

2.P-MOS防反接电路分析

P-MOS的导通条件时栅极和源极之间的电压VGS<0时导通,否则截止,利用P-MOS防电源反接时,P-MOS接在高侧,即靠近电源正极一侧。

当电源接线正确时,假设电源电压为U,栅极S为低电平,由于寄生二极管的原因,使得源极S的电位为U-0.7,所以VGS<0,P-MOS管导通,从而使负载得电,电路正常工作。

当电源反接时,栅极S为高电平,VGS>0,所以P-MOS不导通,电路不工作。

P-MOS防反接电路仿真

仿真电路图如图5所示。左图是电源接线正确的电路图,发光二极管被点亮;右图是电源接线错误的电路图,发光二极管不工作。

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图5- PMOS仿真电路

P-MOS防反接注意事项/优缺点

P-MOS要接在电源的正极一侧,并且要将寄生二极管正向串联在电路中,其工作原理正是利用了二极管的单向导电特性,这个应用要和P-MOS的开关应用区分开。

其优点就是导通压降小,因为MOS管的导通内阻非常小,所以压降非常小。

3.使用N-MOS防止电源接反

N-MOS防电源反接的电路和P-MOS的工作原理是一样的,只不过N-MOS需要接在电源负极一侧,即低端。N-MOS防反接的电路示意图如图6所示。

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图6- NMOS实现电源防反接电路

N-MOS防反接电路分析

N-MOS的导通条件时栅极和源极之间的电压VGS>0时导通,否则截止,利用N-MOS防电源反接时,N-MOS接在低侧,即靠近电源负极一侧。

当电源接线正确时,假设电源电压为U,栅极S为高电平U,由于寄生二极管的原因,使得源极S的电位为0.7,所以VGS>0,N-MOS管导通,从而使负载得电,电路正常工作。

当电源反接时,栅极S为低电平,VGS=0,所以N-MOS不导通,电路不工作。

N-MOS防反接电路仿真

N-MOS仿真电路图如图7所示。左图是接线正确的电路图,右图是接线错误的电路图。接线正确时负载工作,接线错误时电路不通。

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图7 - NMOS仿真电路

N-MOS防反接注意事项/优缺点

NMOS需要接在电源的低侧,即靠近负极的一侧,其防止反接的原理与P-MOS防反接原理一致,寄生二极管也是正向串联在电路中,NMOS导通后将寄生二极管短路掉。

其优点,因为MOS管的导通电阻非常小,只有几个mΩ,所以压降非常小。与P-MOS相比,同系列N-MOS的内阻更小。

4.使用整流桥实现电源接线的无极性

除了防反接之外,还可以使用整流桥实现电源的无极性,即电源正接、反接都可以,电路都可以正常工作。

整流桥是由四个二极管所构成的电路,经常用在交流转直流的整流电路中,在交流的每个周期有两个二极管同时导通而另外两个二极管截止,依次轮换。

整流桥仿真电路

整流桥所实现的仿真电路如图8所示。从图8可以看出,不管电源正接还是反接,负载LED都能发光,所以整流桥实现了电源的无极性。

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图8 - 整流桥仿真电路

整流桥防反接电路分析

四个二极管组成了整流桥,在不同极性下,只有两个二极管导通工作,另外两个处于截止状态,图8也画出了不同电源接法下,电流的方向,从图中可以看出,只有对桥臂的两个二极管导通,而另外两个二极管截止。这也是整流电路的原理。

整流桥防反接电路优缺点分析

该电路不再对电源的极性有要求,实现了电源的任意接法,这时最大的优点。但缺点是,因为二极管的正向压降,不适用于低电压的电路,而且过电流能力较差。

电源防反接技术总结

上边介绍的几种方案都跟二极管有关系,都是利用了二极管的单向导电特性,但是受限于二极管的正向电流和正向导通压降,不适用于大电流应用和电压较低的应用。

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