标签: 反极性保护

有很多方法可防止反向极性产生破坏作用，但其中有一些方法更好。例如，对于工作电流超过100 mA的系统，其功耗和压降可能是个问题，我们通常建议使用以下两种方法之一： 保险丝和瞬态电压抑制器(TVS)，或专用反向极性保护器件。 保险丝和 TVS 如果主要问题是防止灾难性故障，并且不需要反向偏压重置，则“保险丝和TVS”方法（图1）是极好的方法。它以某种可重置的方式（假设瞬变时间短至足以避免打开保险丝）有助于保护系统和最终用户以防短时瞬变（正极和负极），并在瞬变时间延长的情况下安全地关断系统。   图 1. “保险丝和TVS”方法  在反向偏压足够大的事件中，此方法可安全地断开器件，并为过压瞬变和短时反向极性瞬变提供某种程度的可重置保护。必须仔细验证使用的保险丝的预期寿命，并且必须小心匹配保险丝/二极管组合以避免灾难性故障模式。一旦触发以响应持久性故障，保险丝将永久断开，因此这并非适用于长时瞬变的可重置方法。 永久开路在成本和空间要求方面都具有优势。由于保险丝可设计为在持久性故障中断开，因此您不必确定二极管及其关联的散热片结构的大小以支持持久的过压或欠压情况。您可以根据预期的瞬变事件以及断开保险丝需要什么来确定二极管的大小。这样就能节约二极管的成本并实现更小的电路板。 “保险丝和TVS”方法也有一些限制。保险丝必须有串联电阻才能起作用，并且如果要提供保护，必须有足够的电阻来激活。这种电阻会使系统产生一些功率损耗，并可能在正常操作中使保险丝发热和热循环。令人遗憾的是，许多采用最低电阻的保险丝技术也最易受疲劳影响。仔细选择正常操作时间更长的保险丝。 在过压事件中，当二极管分流到地面并拉动足够的电流来降低电源电压时，二极管匹配可能是个问题。如果尺寸不合适，二极管可能在未打开保险丝的情况下使电路板过热或在保险丝打开之前二极管可能出现故障。这就可能导致耗电量不足以打开保险丝的下游热事件，并因此而无法达到首先使用保险丝的目的。  如果需要反向偏压重置，则TVS可与正温度系数(PTC)电阻（或热敏电阻）一起使用。但匹配要求更严格并且尺寸增大，因此需要验证反向偏压事件中的系统级保护。 专用反向极性保护器件 添加反向偏压重置的更好方法是使用专用反向极性保护器件（图2）。    图 2. 专用反向极性保护器件方法  由于专用器件专为保护反向偏压或反向极性而设计，因此可将操作功耗保持在极低水平。串联电阻可反映应用需求，并且与使用PTC电阻、保险丝或串联二极管时的情况不同，串联压降不是正常操作的一个需求。 通过利用极低电阻的可能性，您可根据需要最大限度降低功耗和压降。这对效率和器件尺寸很有利，因为优化了封装功耗的需求。静态电流保持在极低的水平。过压保护等额外特性可集成到器件中，从而在最大限度降低其成本的同时进一步实现最大程度的保护。 专用器件因结合了所有这些特性而成为最易实现且性价比最高的方法之一。这也是升级电池供电器件的理想方法，其使用机械解决方案避免因电池安装不当而引起的反向极性。  相关链接： 应用指南 AN-9739智能开关反向电池保护 http://www.fairchildsemi.com.cn/an/AN/AN-9739.pdf 反向极性保护器件 http://www.fairchildsemi.com.cn/search/discretes/circuit-protections/reverse-polarity-protection/ 灵活、节省空间的反极性保护器 http://www.fairchildsemi.com.cn/Assets/zSystem/documents/collateral/benchmarks/2012-Volume-04-Benchmarks.pdf  

低电流系统 — 即工作电流低于100 mA或200 mA的系统 — 涵盖各种应用，从安全系统和火警报警器到适用于楼宇自动化、公共地址和数据网络的系统。 其中包括许多不同的工作环境，设计人员无法始终预测其系统将以何种方式在何处使用。根据具体情况，系统可能暴露于稳态反向偏压或负瞬变等不良电气条件下，这可能导致反向极性事件并损坏系统。 结果可能如同电气故障那么简单，但如果情况很严重，则可能导致火灾。因此，设计人员增加电路来防止反向极性带来的负面效应并不罕见。 有多种方法可实现这一点，但对于低电流应用，其效率通常较少成为问题。只要系统可耐受功耗并且工作电压压降与各方法相关联，即可使用串联PN或肖特基二极管这两种简单方法来达到目的。 串联PN二极管 如果设计可接受较大的串联压降(±1 V)，或可能有高电压反向瞬变( 200 V)，那么使用串联PN二极管是个不错的选择。图1提供了设计示例。这是可提供快速阻断、可重置功能和高击穿电压的简单低成本解决方案。 图 1. 串联二极管方法  此二极管的功耗最少，因此较少需要散热片，且成本较低。只要器件在正常操作或可能的故障条件期间不过热，系统就会正常工作。 即便如此，该解决方案并非适用于每个设计。成本优势很快会随着工作电流的上升而消失。而且，在较高电流下，功耗越大，最终所需的二极管也就越大越昂贵，需要采用导热性更好的封装和散热结构。 此外，在低电压系统中(≤5V)，二极管压降可能需要额外下游升压电路，这就使本来预计为低成本的方法实际上变得很昂贵。 因此，在使用PN二极管方法之前务必记住这几条。  串联肖特基二极管 类似但应用更广泛的方法是使用串联肖特基二极管代替串联PN二极管。该压降更低一点(±0.6 V)而且设计消耗的功率更少。 图2显示的是肖特基二极管的设置。此配置提供出色的阻断、简单的设计导入和低成本。其还可重置并且可能支持相对较高的击穿电压( 200 V)。   图 2. 串联肖特基二极管方法  压降较低可减少与传统PN二极管有关的热管理需求，而这可能实现更小且成本更低的封装。 尽管如此，仍需要小心，因为压降对于许多应用来说可能仍过高。而且，尽管肖特基二极管的工作范围比串联PN二极管的广，此方法的最佳应用仍是使用低于200 mA的电流且具有更高电压(5 V)的应用。 结论 无论采用哪一种方法，都要考虑压降和功耗这两个主要方面。假设这两个参数都在可接受范围内，那么两种方法都能以低成本有效地保护低电流系统，使其免受反向极性事件可能导致的损坏。如果压降或功耗成问题，则可考虑飞兆的FR器件等有源解决方案。  相关链接： 应用指南 AN-9739智能开关反向电池保护 http://www.fairchildsemi.com.cn/an/AN/AN-9739.pdf 反向极性保护器件 http://www.fairchildsemi.com.cn/search/discretes/circuit-protections/reverse-polarity-protection/ 灵活、节省空间的反极性保护器 http://www.fairchildsemi.com.cn/Assets/zSystem/documents/collateral/benchmarks/2012-Volume-04-Benchmarks.pdf  

没有人希望他们的系统出现故障，甚至更严重的起火燃烧。但如果允许反向极性进行破坏，就可能会发生上述情况。 反向极性是稳态反向偏压或负瞬态的结果。这是一种危险的电气状况，一旦系统出厂即很难防止。 反向极性风险是各种常见应用中的实际威胁，包括移动电子、电池供电系统、连接至汽车电源的器件、直流供电的玩具、具有桶插孔连接器的产品，或任何经受负电压热插拔或电感瞬变的DC器件。支持USB连接和/或USB充电的系统尤其易受影响。 下面是反向极性的一些最常见原因：   使用第三方生产的售后市场充电器或电源 第三方充电器的市场日益增长，但并非所有充电器都设计都具有反向极性防护。在某些情况下，充电器具有反向电气触点或者极性可由用户设置，这就为出错留下了空间。 使用 USB的“热插拔”功能 总线处于带电状态时能方便地连接或断连移动设备意味着“热插拔”操作正在增加，热插拔瞬变的幅度也是如此。这些电感瞬变可将总线摆动至反向极性条件。尽管这些摆动的时间往往很短，但幅度很大。超过±20 V的电压轨摆幅已在“热插拔”操作中测量到。此瞬变对断开连接的器件和电压轨上的其他器件都可能会产生影响。当充电电流增大时，此问题只会更严重。 使用未正确插入的电池 电池供电的系统可能出现故障，这是因为电池未正确插入，其正负极插反。对于AAA型、AA型、C型以及D型单体电池、或CR123、CR2或钮扣锂电池等使用传统外形尺寸的器件来说尤其如此。如果正确插入电池，机械解决方案可防止与电池端子的电气接触，但这些解决方案需要自定义模制并可经受一段时间后的接触疲劳。 发展中国家中墙壁插头的使用 世界上还有一些地方的电力基础设施具有较少的保护要求，因此，电源可在线路上向下传输大电压瞬变。室内布线使情况变得更糟。过去，传统白炽灯能有助于吸收和抑制电源线上的瞬态能量，但像LED和CFL等新类型产品没有相同的抑制特性。通过移动至LED和CFL的节能工作可能产生从未遇到过的问题。   将器件插入汽车（或飞机、火车等）的电源 在许多情况下，交通供电中的电源适配器包括反向极性保护，但也有例外，特别是在低成本替代产品中。不知情的用户只是将器件插入汽车的打火机插孔中就可能导致反向极性事件，因为他没有意识到打火机插孔可导致器件故障。 由于有太多方式可触发反向极性事件，设计人员务必尽其所能在系统出厂前防止反向极性以免造成损坏。  相关链接： 应用指南 AN-9739智能开关反向电池保护 http://www.fairchildsemi.com.cn/an/AN/AN-9739.pdf  反向极性保护器件 http://www.fairchildsemi.com.cn/search/discretes/circuit-protections/reverse-polarity-protection/ 灵活、节省空间的反极性保护器 http://www.fairchildsemi.com.cn/Assets/zSystem/documents/collateral/benchmarks/2012-Volume-04-Benchmarks.pdf  

只要是电池供电的系统，就一直存在这个问题： 您错误装入电池，将正负极装反，产生反向极性事件。系统暂时出现故障或永久损坏。 设计为适合其装配的系统的定制电池有助于最大程度减少不正确插入和反向极性的机会，但像AAA型、AA型、C型以及D型单体电池等经过检验而可靠的现成电池，乃至CR123、CR2和钮扣锂电池也很容易出故障。 过去，设计人员使用机械结构来避免与电池端子的电气接触（如果未正确插入电池）。但机械解决方案远不完美。它们通常需要进行特殊加工，因为弹簧触点需要控制良好的机械组件容差，以确保正确插入电池时接触良好，但未正确插入不接触。这些狭小容差可导致长期稳定性问题，因为必需使用的弹簧和触点可能弯曲或出现故障。即使是正常使用，周而复始的正常插入，也可能导致接触疲劳，并且随着时间的推移，限制了可靠性。 但尽管有这些限制，机械解决方案一直存在，因为它们是设计人员可用于防止不正确电池安装的唯一实际方案。设计为防止由反相电池导致的反向极性事件的电气解决方案一直存有争议。 因为正常操作过程中的压降，通常不选择使用串联二极管。使用二极管接地设置也不是一个很好的主意，因为反向极性事件可能导致电池危险放电持续很长时间并使二极管过热。 分立式MOSFET需要复杂的结构，并且可能未经过优化或特定用于以防止反向极性。在反向极性事件过程中评估性能的关键规格可能丢失，并且这可能使设计人员不得不从数据表上的性能特性得出估计值并猜测安全工作时间期，令人担忧。而且，根据MOSFET的应用方式，它们可能需要一个控制器或其他成本高昂的功能。 多功能IC有时配备有可防止反向极性的电路，这通常明显增加了电路的复杂性，因为它们能够在正偏压环境中工作，然后在反向极性模式中工作或不被损坏。因此，多功能IC带来了巨大的性能和/或成本代价。由于性价比权衡，典型实施具有相对有限的反向偏压功能（-2 V或-6 V）。 然而最近，专用反向极性保护器件的出现为设计人员提供了更可行的电气可选方案。专用器件（如由飞兆提供的器件）代表的是可防止反向极性且性价比和性能最高的方法之一，是电池供电系统的极佳选择。 图1. 显示的是使用专用器件防止反向极性的电路。 图 1. 使用专用器件防止反向极性 此简单设置提供持续可靠的保护。设计需要极小的PCB空间，最大程度地减少了电压损耗，并在反向偏压条件下快速有效地进行响应。 整体成本也不错。串联肖特基二极管通常比专用反向极性保护器件更便宜，但一旦工作电流开始增大，基于肖特基方法的总成本也就开始上扬。出于性价比权衡，专用反向极性保护器件很可能成为最具吸引力的电子方法。 人们会继续在电池上犯些错误，但设计人员防止小意外的方式也很有可能会改变。考虑全面后，专用反向极性保护器件随着时间的推移可能会完全取代复杂的机械解决方案。 相关链接： 应用指南 AN-9739智能开关反向电池保护 http://www.fairchildsemi.com.cn/an/AN/AN-9739.pdf   反向极性保护器件 http://www.fairchildsemi.com.cn/search/discretes/circuit-protections/reverse-polarity-protection/  

通常反向电压保护方法是使用二极管，防止损坏电路。一个方案是用串联二极管，只允许电流向正确的极性流动(图1)。另外还可以用二极管桥对输入做整流，这样电路就永远有正确的极性(图2)。这些方案的缺点是，二极管上的压降会消耗能量。输入电流为1A时，图1中的电路功耗为0.7W，图2中电路的功耗为1.4W。本例提出了一种简单方法，它没有压降，也就没有功耗(图3)。   这个方法是用一只继电器来处理反极性电压问题。例如，12V供电系统使用12V的继电器。当为电路施加正确极性时，D1为反偏，继电器S1保持关闭状态。则输入和输出电源线正常连接到继电器的端子，电流就流到最终电路上。二极管D1阻挡了继电器的供电，防止电路耗电。   当施加不正确的反向极性时，二极管为正偏，使继电器起动(图4)。继电器切断了最终电路的电源，红色 LED 发光，指示有一个反向电压。只有加了反极性电压时，电路才耗能。与FET或半导体开关不同，继电器触点开关的导通电阻低，这意味着不会在它们的输入电源与被保护电路之间产生压降。因此，设计适用于电压裕度比较紧张的系统。     图1，一只串联二极管保护系统不受反向极性影响，但二极管要消耗功率。     图2，用一个桥式整流器，不管输入是什么极性系统都可以正常工作。此电路二极管功耗是图1中电路的两倍。     图3，接一个继电器开关就可以将系统的电源旁路，而没有功耗。D2用于继电器线圈电感涌流的箝位。     图4，在反向输入电压时，继电器开关咬合，切断了系统的供电，LED发光。