电路设计指南：用于反向电压极性保护的PMOS MOSFET

MOSFET 反接保护电路

如果电路的电源接反，例如将正极线接到地，负极线接到电路的Vcc。可能会发生两件坏事，要么我们设计的电路连同其中所有昂贵的组件一起被烧毁，要么电源本身被毁坏。如果电路由电池供电，事情会变得更加危险。反转电池的极性是电路中可能发生的最糟糕的事情，因为它不仅会损坏电路，还会导致冒烟和起火，从而成为潜在的威胁。

但是可能会发生人为错误，因此设计人员有责任确保他的电路能够安全地处理反极性条件。这就是为什么几乎所有的电路在其输入端都有一个额外的安全电路，称为反极性保护电路。在本文中，我们将讨论一种MOSFET极性保护电路，它可以非常有效地保护电路免受反极性相关的损坏。该电路还可用作电池极性保护电路，因此即使由外部直流适配器或电池供电，也可使用相同的设计指南来保护您的电路。

保护电路免受反极性影响

有几种选择可以保护电路免受反极性影响。大多数时候，电池供电设备使用特殊类型的电池连接器，不允许电池连接器以相反的顺序连接。这是一种机械上可能的电池反极性保护。另一种选择是在电源轨中使用肖特基二极管，但这是保护电路免受反极性影响的最低效方法。

使用肖特基二极管进行极性保护及其缺点

在下图中，肖特基二极管与电源轨串联使用，在反极性条件下会产生反向偏置并断开电路。我们之前也曾在上一篇文章的二极管应用部分讨论过这个问题。

左图是极性正确连接，右图是极性反接的情况。在反极性连接期间，肖特基二极管会阻止电流流动。

但是，由于负载电流恒定流过肖特基二极管，上述电路效率低下。此外，由于二极管的正向压降，肖特基二极管输出端的电压小于输入电压。因此，通过使用上述方法，它可以保护电路免受反极性保护，但效率不高。

制作反极性保护电路的正确方法是使用简单的 PMOS MOSFET 或 NMOS MOSFET。建议使用 PMOS，因为 PMOS 会切断正轨，电路不会获得任何电压，如果电路在高直流电压下工作，则产生有害后果的可能性较小。

用于反向电压保护的 PMOS MOSFET

场效应晶体管 (FET) 是一种晶体管，它使用电场来控制通过它的电流。FET是具有源极、栅极和漏极三个端子的器件。FET 通过向栅极施加电压来控制电流流动，进而改变漏极和源极之间的导电性。这是在 P-MOSFET 中用作反极性保护开关的基本部件。

下图为PMOS反接保护电路。

PMOS 用作电源开关，将负载与电源连接或断开。在正确连接电源期间，MOSFET 由于正确的 VGS(栅极到源极电压)而导通。但在反极性情况下，栅极到源极电压太低而无法导通 MOSFET 并将负载与输入电源断开。

100R 电阻是与齐纳二极管相连的MOSFET 栅极电阻。齐纳二极管保护栅极免受过压。

Orcad PSPICE 中的实际仿真

上述电路具有反极性保护所需的所有组件。V1 是完全极性的源。P 沟道 MOSFET 从电阻 100R 和 6.8V 齐纳二极管 1N4099 获得偏置。Load是一个10R的电阻。

仿真显示电路在正确的电源极性下正常工作。齐纳二极管保护栅极免受过电压影响，负载在 13.9V 时获得 1.3A。

在上图中，源是颠倒的。负载完全关闭，电路充当反极性保护器。

选择用于反极性保护的 MOSFET

建议使用 PMOS 而不是 NMOS。这是因为 PMOS 用于电路的正轨而不是负轨。因此，PMOS 切断了正轨，电路将没有任何正电压。但是，NMOS 用于负轨，因此断开负轨不会断开电路与电池正轨的连接。因此，在高压直流的情况下，断开正轨比断开负轨安全得多，并且不会发生短路、触电等有害后果的可能性更小。

元件选择是该电路的重要组成部分。主要元件是P沟道MOSFET。

MOSFET 具有以下对电路至关重要的规格。

漏源电阻 (RDS)

漏电流

漏源电压

漏源电阻 (RDS)：

RDS 是漏源电阻。使用极低的 RDS(漏源电阻)以实现低散热和极低的输出压降。更高的 RDS 将产生更高的热耗散。

漏极电流：

这是通过 MOSFET 的最大电流。因此，如果负载电路需要 2A 电流，请选择能够承受该电流的 MOSFET。在这种情况下，漏极电流为3A的Mosfet将是一个不错的选择。选择比实际需要大的参数。

漏源电压：

MOSFET 的漏源电压需要高于电路电压。如果电路需要最大 30V 的电压，则需要漏源电压为 50V 的 MOSFET 才能安全运行。始终选择大于实际需要的参数。

反接时，MOSFET会因Vgs不足而关断，对负载电路和MOSFET都没有影响。以上参数在正常情况下都是需要的，需要慎重选择。

齐纳二极管电压的选择：

每个 MOSFET 都带有一个 Vgs(栅极到源极电压)。如果栅极到源极电压增加超过最大额定值，这可能会损坏 MOSFET 栅极。因此，选择一个不会超过 MOSFET 栅极电压的齐纳二极管电压。对于 10V 的 Vgs，9.1V 齐纳二极管就足够了。确保栅极电压不应超过最大额定电压。

电阻值的选择方式不应太高以免齐纳二极管过热，但又要足够低以提供足够的齐纳偏置电流并在电源电压突然反转时迅速对栅极放电。因此，这里是栅极放电时间和齐纳偏置之间的权衡。在大多数情况下，如果电路中有可能出现突然的反向电压，100R-330R 是好的。但如果在电路连续工作的过程中不会出现突然的反向电压，则可以使用 1k-50k 电阻值的任何值。

MOSFET反接保护电路的缺点

该电路的主要缺点是 MOSFET 的功耗。然而，这可以使用具有毫欧 RDS 导通电阻的 P 沟道 MOSFET 来解决。

审核编辑：汤梓红