常用电路设计-防反接-电源控制-电源掉电（断电）维持电路设计

电路可靠性设计防反接-电源控制-电源掉电（断电）维持电路设计1电源防反接电路设计（二极管和MOS管应用）1.1二极管防反设计1.1.1单个二极管防反通常情况下直流电源输入防反接保护电路是利用二极管的单向导电性来实现防反接保护。如下图1示：图1这种接法简单可靠，但当输入大电流的情况下功耗影响是非常大的。以输入电流额定值达到2A,如选用Onsemi的快速恢复二极管MUR3020PT，额定管压降为0.7V，那么功耗至少也要达到：Pd＝2A×0.7V＝1.4W，这样效率低，发热量大，要加散热器。优点：电路简单，成本较低。适用于小电流，对成本要求比较严的产品。缺点：由于二极管的PN结在导通时，存在一个压降，一般在0.7V以下。这个压降就导致这种电路不适合应用在电流较大的电路中，如果电路有10A的电流，那么二极管的功耗就是0.7*10=7W，发热量还是很可观的。在结构紧凑空间有限的产品中，对产品的稳定性或人的使用感受上影响还是比较大的。1.1.1.1北云双二极管防反接1.1.2二极管桥防反接设计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2A时，图1中的电路功耗为1.4W，图2中电路的功耗为2.8W。图2优点：输入端无论怎样接，电路都可以正常工作。缺点：存在两个二极管的压降。适用于小电流电路。1.1.3保险丝+（稳压）二极管的方案图3上面的防接反电路采用了一个保险丝和一个反向并联的稳压二极管（或二极管），电源极性正确，电路正常工作时，由于负载的存在电流较小，二极管处于反向阻断状态，保险丝不会被熔断。当电源接反时，二极管导通，此时压降大部分都(VIN-0.7V)落在了保险丝上，电流比较大，就会将保险丝熔断，从而切断电源的供给，起到保护负载的作用。若是并联的稳压二极管，还有防过压保护的功能。如当电压大于稳压管反向击穿大压时，保险丝和稳压二极管形成回路，此时压降大部分都(VIN-0.7V)落在了保险丝上，电流比较大，就会将保险丝熔断，从而切断电源的供给，起到保护负载的作用。优点：保险丝的压降很小，不存在发热问题。成本不高。缺点：一旦接反需要更换保险丝，操作比较麻烦。1.1.4零压降二极管控制器防反接电路（配合MOS管应用）1.1.4.1ADI理想二极管防反接电路1.2MOS管设计防反接保护电路利用了MOS管的开关特性，控制电路的导通和断开来设计防反接保护电路，由于功率MOS管的内阻很小，现在MOSFETRds（on）已经能够做到毫欧级，解决了现有采用二极管电源防反接方案存在的压降和功耗过大的问题。极性反接保护将保护用场效应管与被保护电路串联连接。保护用场效应管为PMOS场效应管或NMOS场效应管。若为PMOS，其栅极和源极分别连接被保护电路的接地端和电源端，其漏极连接被保护电路中PMOS元件的衬底。若是NMOS，其栅极和源极分别连接被保护电路的电源端和接地端，其漏极连接被保护电路中NMOS元件的衬底。一旦被保护电路的电源极性反接，保护用场效应管会形成断路，防止电流烧毁电路中的场效应管元件，保护整体电路。具体N沟道MOS管防反接保护电路电路如图4示1.用NMOS或者PMOS进行防反接的时候，与正常使用mos管的时候是不同的，比如NMOS串在电路里的时候，电流是从s流向d的。这样做非常必要，因为寄生二极管在在加正向电源时首先被导通一小段时间(非常短)，之后MOS被导通，二极管被短路(MOS的内阻非常小)，在加反向电压的时候，体二极管处于截止状态。2.关于分压电阻和稳压二极管，其实都是为了保护mos管，比如对于NMOS，Vgs一般在大于5V的时候MOS是完全导通的，但是Vgs的电压有一个限制一般是要小于20V的，所以根据你的输入，合理的设置电阻和稳压二极管来保护你的g级。3.整流桥方案的好处是正反接电路都能工作但是损耗是串接二极管的两倍，但是可以使用理想整流桥方案，就是一个芯片加四个NMOS，损耗很小，芯片的型号是LTXXXX图4.NMOS管型防反接保护电路N沟道MOS管通过S管脚和D管脚串接于电源和负载之间，电阻R1为MOS管提供电压偏置，利用MOS管的开关特性控制电路的导通和断开，从而防止电源反接给负载带来损坏。正接时候，R1提供VGS电压，MOS饱和导通。反接的时候MOS不能导通，所以起到防反接作用。功率MOS管的Rds（on）只有20mΩ实际损耗很小，2A的电流，功耗为（2×2)×0.02=0.08W根本不用外加散热片。解决了现有采用二极管电源防反接方案存在的压降和功耗过大的问题。3.1、正接时候，R1提供VGS电压，MOS饱和导通。反接的时候分压电阻无电流流过无法提供G极电压，MOS不能导通，所以起到防反接作用。3.2、对于电路中并联在分压电阻上的稳压二极管，因为场效应管的输入电阻是很高的，是一个压控型器件，G极电压要控制在20V内，过高的电压脉冲会导致G极的击穿，这个稳压二极管就是起一个保护场效应管防止击穿的作用。3.3、对于并联在分压电阻上的电容，有一个软启动的作用。在电流开始流过的瞬间，电容充电，G极的电压是逐步建立起来的。对于并联在场效应管D与S之间的阻容串联电路，阻容串联电路一般用作脉冲吸收或延时。用在这里要视负载的情况而定，加了或许反而不好。毕竟这会导致在电源在反接的时候会有一个短暂的导通脉冲。2、PMOS电路缺点：Pmos用Pmos串在V+上，但当电源接反时，会出现板子所有芯片器件的地引脚突然接上电源的+极，虽然是浮空电源不通，一个老工程师说这样可能有电坏芯片的隐患，后来用了Nmos串在V-上，能排除上面说的这种隐患，不过用Nmos管做防反接的图片那个寄生二极管没有出现，那个寄生二极管的方向很重要，应该是S指向D，S为寄生二极管的正极。图5.PMOS管型防反接保护电路VZ1为稳压管防止栅源电压过高击穿mos管。NMOS管的导通电阻比PMOS的小，最好选NMOS。NMOS价格要低。NMOS管接在电源的负极，栅极高电平导通。PMOS管接在电源的正极，栅极低电平导通。用MOS管做防反接的优点是：1）MOS的过电流能力大>A级；2）等效电阻小，毫欧级，损耗小。

２电源输入选择电路模块（二极管和MOS管应用）2.1PMOS二选一设计输入选择电路用以实现对外接供电电源的选择，本设计中采用目前主流的USB供电以及电源适配器供电两种方式，以适应不同的供电环境，外接电源的供电电压需在4.5V～6V之间，当两者共同存在时，适配器具有优先权，具体实现方法如图3，分以下三种情况：只有电源适配器供电，PMOS管截止，输入电压经D1降压后，给后级电路供电，D1采用肖特基二极管，导通压降约为0.3V；只有USB供电，PMOS管导通，D1用于防止USB接口通过电阻R2消耗电能；两者同时存在，PMOS管截止，电源适配器输入电压经D1降压后，给后级电路供电。下面是《如韵电子》的设计案例CN3130可以利用多种输入电源为电池充电，这些输入电源可以是USB接口输出的电压，也可以是墙上适配器，或者是太阳能板等。图1示出一个同时使用其中的两种输入电源对电池进行充电的例子，当二者共同存在时，第一输入电源具有优先权。M1为P沟道MOSFET，M1用来阻止电流从第一输入电源流入第二输入电源，肖特基二极管D1可防止第二输入电源通过1K电阻消耗能量。在实际应用中，第一输入电源应接到电压比较高，输出电流能力比较强的电源上，相比之下，第二输入电源应当接到电压比较低，输出电流能力比较弱的电源上。2.2二级管二选一设计2.2.1电源电压完全相等的情况（电源二选一）系统整体电路所示。由输入选择电路选择外接电源的供电方式，电源输入的电压值为4.5V~6V，有外接电源时，直接经3.3V稳压器稳压后输出，如果电池电量不足时，同时通过锂电池充电电路对锂电池进行充电；没有外接电源时，由锂电池供电，经3.3V低压差线性稳压器稳压后输出，供电选择电路根据是否有外接电源，选择由外接电源供电或者锂电池供电。2.2.2电源电压可能不完全相等的情况（电源二选一）若X23≥X24，不可靠。电源X24与电源X23的选择，给系统提供5V电源。设计要求，要求X24和X23同时供电时，要求系统自动切换到X24供电。实际应用时，X23与X24两个电压不完全相同，若X24的电压≥X23，才可能实现设计需求。若X23≥X24，当电流较小时，D14的压降非常小，在X23大于X24的情况下，X23的电源导通给系统5V供电，导致与X24短路，给X24倒灌电流，充电(导致电流较大，烧毁X24的后级电路)。在这种情况下，应采购如下电路设计：2.3理想二极管多选一电路设计

3电源控制电路3.1通过电源EN来控制电源这一节，可以详见电源部分EN用法介绍。本小节，只做简介方案介绍。3.1.1直接用GPIO脚控制1）当EN脚的电压VEN在GPIO信号的电压的范围内时：可直接用GPIO脚控制，电源EN脚不能上拉至电源，因为若上拉电压大于GPIO信号电压时，GPIO会电流倒灌(若是防倒灌GPIO脚不受限制)，或若上拉后VEN电压大于GPIO所承受的电压，会损坏GPIO脚。若是推挽输出，可能会给GPIO测电源充电，损坏GPIO侧电源。2）当EN的使能电压大于GPIO信号的VIH时：GPIO可以通过电平转换芯片，达到VEN的使能要求。另个可以用以下电路来实现。VEN控制电路在使用该电路时，Q13饱和VCE压降应小于EN的VIL。若三极管的VCE较大时，Q13导通，VCE》1.2V时，VEN可能会使能电源，导致控制失效。3）用电源输入VIN电压较大时，需通过电阻分压（需考虑EN脚内部电阻），以满足VEN的要求。也可以VEN通过上拉至板内其它小电电源。4）en脚上拉至自身电源，以使电源正常工作，此种情况，需用其它电源来控制EN，以满足电路时序需求时，应断开自身电源的上拉电阻，否则自身电源与控制使的电源只有电阻连接，将导致大电压电源给小电压电源充电，损坏小电源电路。3.2通过电源开关直接连接电源正极直接将开关器件接在正极上，以断开电路。当电路电流较小时，可以直接使用，对开关器件的要求较低，价格也便宜；当电路电流较大时，对开关器件过电流能力较高，一般大电流的开关器件难找，成价较高。3.3通过PMOS管和开关器件切断电源正极(EMI滤波、电流功耗检测)图：HW-Z1-ZCU104开关电路(xiLinx)1）电路工作原理分析电源开关电路工作原理：A部分为开关电路，主要通过MOS管去切断电源通路，电路的优点是降低开关器件的电流要求，进一步降低本。注：此电路没有防反接的功能，仅作为开关电源开关电路使用。电源开关A工作原理：当SW1置OFF，VCC12V输入12V时：Q7,Q4关闭，V1电压为12V；因不能形成回路V2电压为12V；V3电压为0V;当SW1置ON，VCC12V输入12V时：V1=12V,Q4的VGS>VGSth,Q4导通，R269、R412、Q4形成通路，V2=[R412/(R269+R412)]。(V2-12V)小于PMOS管Q7的VGSth，Q7导通。V3为输入12V。电路设计关键点：a）Q4的S端必需接地，这样体二极管就不会导通，也就不存在开关SW1不管拔到ON或OFF的情况下，都导通的问题。b)Q7的S端必需接VCC12V，否则VCC12V会通过体二极管导通，给系统供电，导致开关失灵。c)用R269、R412的目的，就是为了降低VGS端的最大耐压，避免烧毁Q7管，同样Q4也要注意VGS电压的设计，暂时设计为VGSmax的1/2。2）无防反接功能分析该电路无防反接功能，具体分析如下。当SW1置OFF，VCC12V接GND，GND接12V时，通过Q4体二极管，Q4、R412、R269形成回路，电流为12V/（R269+R412）；另一通路会通过Q7的体二积管导通，形成回路，电流为12V/R，一般为A级电流。通过分析，正反接错，不是因为电流大烧毁电路，而是因为大部分器件有极性或耐负电压的极限值较小，而烧毁电路。EMI电路B工作原理：U25为型号BNX016-01的LC电路。电压和功率检测电路C工作原理：待定3.3.1PMOS管+PMOS+开关器件改进应用注：当SW1置ON，VCC12V输入12V时，V1万用表测量6V、V2为8V,V3为12V，基本与理论计算一致。本电路防反接电路未验证。Q22参数的计算：BSS138PW,115，VGSth为0.9V~1.5V，VGSth<±20V，所以V1电压可计算为，由电压可得公式(1)1.5V<V1=VI*R923/（R921+R921）<VGS/2为了节损功率，将电流控制在uA级，取R921为20K，可计算出VI为3V~20V，Q22都能导通。由Q22电流ID<0.32A，从节省功率的角度，可取R919、R920电阻10K级。Q21型号为SIA449DJ-T1-GE3,VGSth为-0.6V~-1.2V，VGSth<±12V，所以V2电压可计算为，由电压可得公式(2)VGS/2<(V2-VI)=VI*R920（R919+920）-VI<-1.2本表为确认电阻，在推电压值。也可先确为电压，在推电阻取值。Q22R923R921VI备注BSS138PW,11520K20K3V~20V取1/2VGSmax计算Q21R919R20VI取1/2VGSmax计算SIA449DJ-T1-GE310K20K3.6V~18V3.3.2PMOS+NPN管+信号控制切断电源正极3.4电源上电时序控制3.5电源上电延时电路设计

4电源掉电（