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李梅

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巧用二极管,轻松设计电源防反接电路

电子产品要正常工作,就离不开电源。像手机、智能手环这种消费类电子,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。


图 1 - 手工接线

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。


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。


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。

2. 使用 P-MOS 防止电源接反
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。


图 4 - PMOS 防反接电路

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 G 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 G 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。


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。


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 G 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 G 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。


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。


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。

5. 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。







回帖(11)

王栋春

2020-12-22 12:53:59
经典的知识
1 举报

王洁民

2020-12-23 08:48:24
谢谢楼主的分享
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jf_17760993

2020-12-23 20:44:54
不考虑PN结的消耗,直接接个桥不是更好?怎么接都可以工作!
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Benj

2020-12-28 08:13:31
谢谢分享
学习学习
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h1654156033.3606

2020-12-29 16:22:59
谢谢楼主分享,很实用。
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h1654156033.3916

2020-12-30 10:08:05
路过学习,谢谢分享。
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h1654156033.3916

2020-12-30 10:10:32
路过学习,谢谢分享。
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h1654156033.3916

2020-12-30 10:12:18
路过学习,谢谢分享。
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503779

2020-12-30 16:52:59
谢谢楼主分享,很实用。
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2021-1-9 22:28:48
谢谢分享,学到了
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竹啸筝风

2021-2-16 12:24:16
直接一个二极管反向并联电源,高效!
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