电池充电器反向保护电路设计，工作原理+电路分析+电路测试，秒懂
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今天给大家介绍的是：电池充电器反向保护
一、传统处理电源电压反转方法
处理电源电压反转有一些众所周知的方法，最明显的解决方案是在电源和负载之间连接一个二极管，但二极管的正向电压会导致功耗增加。在实际应用二极管并不可取，因为电池在充电时必须吸收电流，在不充电时必须提供电流。
另一种方法是使用 MOS电路，如下所示。该技术的比在负载侧电路中使用二极管会更好一点，因此电源电压会升压MOS，从而降低压降并显著提高电导。
由于分立NMOS管具有更强的导电性，成本更低，可用性也更高，因此 NMOS 版本比 PMOS 版本好，当电池电压为正时，两个电路中的MOS管均导通，当电池电压反向时，则断开。
PMOS管版本具有较高电势，而 NMOS管版本具有较低电势，因此 MOS管的物理”漏极“成为电源。MOS管 在两个方向上都能很好地传导电流，因为它们在三极管区域中是电对称的。使用此方法时，晶体管的最大 VGS 和 VDS 额定值必须高于电池电压。
传统负载侧反接保护
不过，该解决方案只适用于负载侧电路，不使用电池充电电路。电池充电器提供电源，重新启用MOS管，并恢复电池反向连接。下图显示了正在运行的 NMOS管版本，电池处于故障状态。
带一个电池充电器的负载侧保护电路
当电池插入时，电池充电器关闭，并且负载和电池充电器与反向电池安全分离。当充电器打开时（例如连接输入电源连接器），NMOS 的栅极和源极之间会产生电压，从而提高 NMOS 的传导电流的能力。下图更详细地描述了这一点。
统电池反向保护方案对电池充电器电路无效
尽管负载和充电器受到反向电压保护，但保护性 MOSFET 仍面临高功耗问题。然后电池充电器变成电池放电器。当电池充电器为 MOSFET提供足够的栅极支持以吸收充电器电流时，电路将达到平衡。
如果大功率 MOS管 的 VTH 约为 2V，并且充电器可以提供 2V 电流，则电池充电器输出电压将调节在 2V（MOS管 漏 极为 2V + 电池电压） 。ICHARGE•(VTH+VBAT) 是MOS管中的功耗 ，这会导致 MOS管 加热并从印刷电路板上散热。该电路的 PMOS 版本也是如此。下面介绍了此方法的两种替代方法，每种方法都有自己的优点和缺点。
二、N 沟道 MOSFET 设计
1、第一种解决方案时使用NMOS隔离器件
根据电路算法，如果电池电压超过电池充电器输出电压，则必须禁用隔离MOS管。
在此电路中，MN1 连接在充电器/负载和电池端子之间的电线的低压侧，像上面的 NMOS 管方法中的情况一样。
然而，在电池反向连接的情况下，晶体管 MP1 和 Q1 现在提供禁用 MN1 的检测电路。通过将电池反接， MP1的来源 上升到其栅极上方，该栅极连接到充电器的正极端子。接着 MP1的漏极通过 R1 向 Q1 的基极提供电流。然后，MN1 的栅极通过 Q1 分流至地，从而防止充电电流流入 MN1。
电池反接电路
在反向检测期间，R1 负责管理流向 Q1 的基极电流，而 R2 负责在正常工作期间为 Q1 的基极提供泄放电流。R3 允许 Q1 将 MN1 的栅极拉至地电位。R3/R4 分压器控制 MN1 栅极上的电压，使栅极电压在反向电池热插拔期间下降得更小。
最坏的情况是当反向电池连接到已经运行并提供恒定电压水平的电池充电器时。在这种情况下，必须尽快关闭 MN1，以减少高功率消耗的时间。
该版本电路中的 R3 和 R4 最适合 12V 铅酸电池应用，但在单节和两节等较低电压应用中可以省略 R4 锂离子 设备。在电池反向连接期间，电容C1 充当超快速电荷泵，降低 MN1 的栅极电平。当连接反向电池时，C1 在充电器再次启用的最坏情况下很有用。
电池反接电路
该电路的缺点是需要使用额外的元件，并且 R3/R4 分压器对电池造成较小但持续的压力。大多数此类组件都很小。MP1 和 Q1 不是功率器件，通常采用 SOT23-3、SC70-3 或更小的 SOT23-3、SC70-3 或更小的 SOT23-3、SC70-3 或更小的 SOT23-3、SC70-3、或更小的S.
因为MN1是传输器件，所以应该具有优良的导电性，但不需要特别大。即使对于中等导电器件，其功耗也很低，因为它工作在深三极管区域并且具有很强的栅极强化。例如，宽度小于 100m 的晶体管通常采用 SOT23-3 封装。
电池反击电路
利用微小的传输晶体管的缺点是，由于与电池充电器串联的电阻增加，导致恒压充电阶段的充电时间增加。如果电池及其连线等效串联电阻为100m，并采用100m隔离晶体管，则恒压充电阶段的充电时间会增加。
MP1 和 Q1 的检测和停用电路无法很快停用 MN1，而且也不必如此。在电池反向连接期间，MN1 消耗大量电量，但关断电路只是“最后”断开 MN1。MN1 必须在加热到造成伤害之前断开连接。
几十微秒的断开时间可能就足够了。然而，在反向电池有机会将充电器和负载电压拉至负值之前禁用 MN1 至关重要，因此需要 C1。该电路本质上具有一条交流和一条 直流 禁用路径。
2、测试电路
使用铅酸电池和 LTC4015 电池充电器来测试该电路。当反向电池热插拔时，电池充电器关闭，如下图所示，充电器和负载不受反向电压的影响。
充电器关闭状态下的 NMOS 保护电路
值得一提的是，MN1 要求 VDS 与电池电压相同，VGS 为电池电压的 1/2。MP1 需要与电池电压相同的 VDS 和 VGS 额定值。
当反向电池热插拔时，下图描述了更严重的情况，其中电池充电器已经正常运行。电池反向连接会降低充电器的电压，直到检测和保护电路将其关闭，从而使充电器能够安全地恢复到其恒定电压水平。
一种应用与另一种应用的动态会有所不同，并且电池充电器的电容将对最终输出产生重大影响。本测试中的电池充电器具有高 Q 值陶瓷电容和低 Q 值聚合物电容。
充电器运行时的NMOS保护电路
最后，在电池充电器上，建议使用铝聚合物和铝电解电容，以提高常规正极电池热插拔期间的性能。
由于其严重的非线性，纯陶瓷电容在热插拔时会产生相当大的过冲；其原因是，当电压从 0V 升至额定电压时，它们的电容会下降惊人的 80%。这种非线性会导致低电压下的快速电流和电压升高时电容快速减小的致命组合，从而导致非常高的电压过冲。
最有弹性的组合似乎是陶瓷电容与低 Q 电压稳定铝电容甚至钽电容配对。
三、P 沟道 MOSFET 设计
1、PMOS 晶体管作为保护器件
本电路中MP1为电池反接检测器件， MP2 为反接隔离器件。使用 MP1 的源极至栅极电压将电池的正极端子与电池充电器输出进行比较。 如果电池充电器端电压高于电池电压，MP1将禁用主传输装置 MP2 。
结果，如果电池电压被驱动至低于地电压，则检测器件 MP1将明显导致传输器件MP2关断（干扰其栅极到其源极）。无论电池充电器是否启用并创建充电电压，都会完成此操作（0V）。
PMOS 晶体管传输元件版本
该电路最显着的好处是 PMOS隔离晶体管 MP2 无权向充电器电路或负载提供负电压。下图显示了这一点。
通过 R1，MP2 栅极上可达到的最低电压为 0V。尽管 MP2 的漏极被拖至地底以下，但源极并未施加显著的电压下行压力。晶体管将自行去偏压，其导电性将逐渐消失，直到源电压降至 VTH（此时晶体管高于地电压）。
晶体管的去偏压程度越高，源电压越接近地。这一特性加上简单的拓扑结构，使得该方法比之前讨论的 NMOS 方法更具吸引力。与 NMOS 方法相比，PMOS 晶体管的缺点是电导率较低且成本较高。
共源共栅效应说明
尽管该电路比 NMOS 技术简单，但它有一个很大的缺点。虽然它始终可以防止反向电压，但电路可能并不总是连接到电池。
当门如图所示交叉耦合时，该电路会生成锁存存储元件，该元件能够拾取不正确的状态。有一种情况，当充电器产生电压（比如12V）时，电池以较低的电压（比如8V）连接，并且电路被拔掉，这很难执行。
在这种情况下，MP1 的源极至栅极电压为 +4V，这会增强 MP1，同时禁用 MP2。下图 描述了这种情况，并给出了节点的稳定电压。
使用 PMOS 保护电路时可能的阻断状态图
当连接电池时，充电器必须已经运行才能实现这种情况。如果在充电器打开之前连接电池，电池会拉高 MP1 的栅极电压，从而停用 MP1。当充电器打开时，它会产生受控电流（而不是大电流浪涌），这会减少 MP1 打开而 MP2 保持关闭的机会。
如果在连接电池之前启用充电器，MP1 的栅极将简单地跟随电池充电器输出，因为泄放电阻器R2 将其上拉。当电池未插入时，MP1 不会打开并使 MP2 停止运行。
当充电器已打开且电池已连接时，就会出现问题。在这种情况下，充电器输出和电池端子之间存在短暂的电压差，导致当充电器电容器由于电池电压而下降时，MP1 禁用 MP2。这导致 MP2 从充电器电容吸取电荷的能力与 MP1 禁用 MP2 的能力之间的斗争。
2、测试电路
使用铅酸电池和 LTC4015 电池充电器来测试电路。
将严重负载的 6V 电源（例如电池仿真）连接到已启用的电池充电器将永远不会触发“断开连接”情况。所进行的测试还不够，重要的应用程序应该进行广泛的测试。即使电路锁定，断开并重新启用电池充电器也始终会导致重新连接。
在R1的顶部和电池充电器的输出之间临时连接可以用来指示故障情况。另一方面，该电路被认为更容易发生连接。如果发生连接故障，可以创建一个电路，使用多个设备禁用电池充电器。下图显示了更完整的电路。
更高电压电池反接保护
当充电器关闭时，下图显示了 PMOS 保护电路的效果。需要注意的是，电池充电器和负载电压永远不会遇到负电压传输。
充电器关闭时的PMOS 保护电路
在“反向电池热插拔时充电器已经运行”的不利情况下，电路如下所示。反向电池与 NMOS 电路一样，在断开电路并关闭传输晶体管 MP2 之前会稍微降低充电器和负载电压。
在该版本的电路中，晶体管 MP2 必须能够承受两倍于电池电压的 VDS（一个用于充电器，一个用于反向电池），并且 VGS 等于电池电压。
另一方面，MP1 必须维持等于电池电压的 VDS 和两倍于电池电压的 VGS。这是很麻烦的，因为 MOSFET 晶体管的额定 VDS 总是超过额定 VGS。对于铅酸电池应用，可以使用具有 30V VGS 和 40V VDS 容差的晶体管。为了支持更高电压的电池，必须通过添加齐纳二极管和限流电阻来修改电路。
充电器运行时PMOS保护电路
下图显示了能够处理两个串联堆叠的铅酸电池的电路示例。
更高电压电池反接保护
D1、D3 和 R3 可以保护 MP2 和 MP3 的栅极免受高压损坏。当热插反电池时，D2 可防止 MP3 的栅极和电池充电器的输出快速下降至低于接地电压。当电路出现电池反接或处于错误断开锁定状态时，MP1 和 R1 使用 LTC4015 缺失的 RT 功能来禁用电池充电器。
来源：utmel
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