电池反向保护方案探究:使用P/N沟道MOS管的应用与优势分析
0 2023-12-05

一、P 沟道 MOSFET 作为电池反向保护

1、P 沟道 MOSFET 反向电池保护基本连接

增强型 MOSFET 有两种变体。它可以是 N 通道或 P 通道。它们都非常适合作为反向电池保护。下面我们从 P 通道开始。下图说明了如何使用 P 沟道 MOSFET 作为电池反向保护,下面为连线方式。
  • MOS 管--电池的正极
  • 漏极-电池的正极
  • 电源-被供电的正极
  • 栅极-电池负极或者接地
使用 P 沟道 MOSFET 作为电池反向保护

2、P 沟道 MOSFET 如何用作电池反向保护

当电池电压存在时,电流将流向体二极管。体二极管将导通,因为阳极侧施加了正电压,但是,电池电压必须高于二极管的正向偏置电压。当二极管为正向偏置时,MOSFET 源极中的电压电平将为电池电压减去体二极管压降。简而言之,这是一个积极的水平。MOSFET 的栅极连接到电池负极端子或接地,这意味着施加到栅极到源极的电压为VGS = VG – VSVG = 0V(因为它是接地的)VS = Vbattery – Vdrop(这是一个正值)所以,VGS = VG – VS = 0V – 正电压 = 负电压一旦施加到栅极到源极的电压为负,P 沟道 MOSFET 或简单的 PMOS 将激活。但是,它需要满足每个 MOSFET 数据表的栅极到源极电压要求。当 MOSFET 激活时,通道将关闭,电流将流向它,而不是流向体二极管。

3、P 沟道 MOSFET 作为电池反向保护的基本要求

1)基本电路连接

按照上面建议的连接。
  • MOS 管--电池的正极
  • 漏极-电池的正极
  • 电源-被供电的正极
  • 栅极-电池负极或者接地

2)栅源阈值电压

如上所述不足以在栅极到源极上施加负电压,必须满足电平要求。下面是来自 MOSFET 数据表的示例栅极到源极阈值电压。为了打开 MOSFET,电池电压和体二极管之间的差值必须高于 -1V。栅源阈值电压如上表所示。

3)最大栅源电压

MOSFET 的最大栅源电压规格不得达到,否则会受到损坏。下面是MOSFET 的最大栅源电压额定值示例。最大栅源电压

4)漏极电流

PMOS 的漏极电流额定值必须高于流入它的实际电流。否则,它会被煮熟。以下是数据表中指定的示例电流额定值。漏极电流

5)额定功率

额定功率至关重要,因为这是 MOSFET 处理热量的能力。计算出的功耗必须低于器件的额定值。下面的规格表指定 25'C 时的额定功率耗散为 8.3W。因此,实际计算的功耗必须低于此值,并留有足够的余量。额定功率

6)工作温度范围

需要注意安装 MOSFET 的环境温度以避免故障。工作温度范围

二、N 沟道 MOSFET 作为电池反向保护

1、N 沟道 MOSFET 反向电池保护基本连接

下面是一个安装在电路中的 N 沟道 MOSFET,用作电池反向保护
  • NMOS-电池的负极
  • 漏极-电池的负极
  • 源极-设备的负极或接地
  • 栅极-电池的正极
电路中的 N 沟道 MOSFET

2、N 沟道 MOSFET 如何用作电池反向保护

在电路启动期间,电流将开始从电池正极端子流向设备,流向体二极管,最后流向电池的负极端子。在此期间,体二极管在正向偏置时导通。当体二极管打开时,现在将有电流在电路中循环。然后,栅源电压将为:VGS = VG – VSVG = V电池VS = 二极管压降所以,VGS = VG – VS = Vbattery – 二极管压降这将导致施加到 MOSFET 栅极到源极的正电平。因此,NMOS 将开始导通,电流将流向沟道而不是体二极管。

3、N 沟道 MOSFET 作为电池反向保护的基本要求

1)基本电路连接

按照上面建议的连接。
  • NMOS-电池的负极
  • 漏极-电池的负极
  • 源极-设备的负极或接地
  • 栅极-电池的正极

2)栅源阈值电压

要将 MOSFET 设置为电池反向保护,仅用正电压偏置栅极到源极是不够的。但也必须满足要求的水平。栅源阈值电压对于低压系统,最好选择栅极到源极阈值电压非常低的 MOSFET,如上表所示。

3)最大栅源电压

说明最大栅源电压额定值的 NMOS 示例数据表。最大栅源电压额定值

4)电流额定值

以下是 NMOS 数据表中指定的示例电流额定值电流额定值

5)额定功率

下表指定了 25'C 时的 8.3 W 额定功率耗散。因此,实际计算的功耗必须低于此值,并留有足够的余量,否则,设备会烧毁。额定功率耗散

6)工作温度范围

工作温度额定值示例。额定功率耗散

4、MOSFET 如何作为电池反向保护的电路仿真

1)在正常电压应用期间

下面是 PMOS 和 NMOS MOSFET 作为电池反向保护的简单模拟。当电路刚启动时,很明显体二极管先于通道导通。正常电压应用期间正常电压应用期间

2)在反向电压应用期间

在这两种电路中,在电池反向期间,电路电流为零。这意味着 NMOS 和 PMOS 不允许电流流动,从而保护连接到电池的电路或设备。反向电压应用反向电压应用

三、MOSFET 作为反向电池保护与二极管对比

1、连接

  • MOSFET - 复杂
  • 二极管——简单

2、额定电压

  • MOSFET – 栅极到源极电压大多限制在 +/-20V
  • 二极管 – 高电压等级

3、电压降

  • MOSFET – 非常低,适用于非常低的电压应用
  • 二极管 - 高,可能不适合非常低电压的系统

4、启动电压降

  • MOSFET – 二极管压降
  • 二极管 – 理想运行期间的相同电压降

5、 价格

  • 两者具有可比性

6、电流

  • 两者具有可比性

7、 功耗

  • MOSFET – 由于电压降非常小,性能更高
  • 二极管 – 受到较高电压降的影响

8、功耗

  • MOSFET – 由于电压降较低,小型封装可以处理更大的功耗
  • 二极管——如果需要处理大功率耗散,因为电压降更高,它可能会很笨重。


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