反向电流阻断和反极性保护

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1. 前言

2. 反向电流阻断

2.1 定义

反向电流是指系统输出端的电压高于输入端的电压，导致电流反向流过系统。

2.2 来源和危害

来源：

1. MOSFET用于负载切换应用时，体二极管变为正向偏置
2. 当电源从系统断开时，输入电压突然下降。

需要考虑反向电流阻断的场合：

• 功率多路复用供电采用mos控制时
• oring控制。ORing与功率多路复用类似，不同之处在于，不是选择一个电源为系统供电，而是始终使用最高电压为系统供电。
• 断电时，特别是输出电容比输入电容大的多的时候，电压下降的慢。

危害：
– 反向电流会损坏内部电路和电源
– 反向电流尖峰还会损坏电缆和连接器
– mos的体二极管功耗上升甚至损坏

2.3 优化方法

1）采用二极管
二极管，特别是肖特基二极管，天然具有反向电流和反极性保护的功能，但是成本高，反向漏电流大，需要散热。
2）采用背对背的mos
两个方向都可以阻断，但是占板面积大，导通阻抗大，成本高，在mos工作时，不能提供反向阻断。
下图中，控制三极管导通时，其集电极为低，两PMOS导通，当三极管关断时，若输出比输入高，右侧mos体二极管导通，使得其D级为高，使得G级为高，左侧mos体二极管不通，同时由于mos的VSG为体二极管压降达不到门槛电压，所以两mos关断，这样阻断输出到输入的电流。

3）反向mos
反向mos虽然可阻断输出到输入的反电流，但缺点是从输入到输出总有一条体二极管通路，而且不够智能，当输出大于输入时，不能关断mos，还需加电压比较电路，所以就有了后来的理想二极管。

4）负载开关
5）多路复用
多路复用：从两个或更多个输入电源之间选择其中一个为单个输出端供电。
6）理想二极管
形成理想二极管有两个目标，一个是模拟肖特基，二是必须有输入输出比较电路，来使其反向关断。

3. 反极性保护

3.1 定义

反极性指的是电源或者电池输入的正负极接反。

3.2 危害

对MCU、DC/DC转换器或其他集成电路的静电放电（ESD）二极管，连接的电池或者有极性的电容造成严重损坏。

3.3 优化方法

1）使用肖特基二极管
优缺点上节已指出。

2）高压侧使用pmos
当电源正接时，体二极管导通后，pmos导通，当电源反接时，pmos的g为正，vgs大于0导致pmos不通，且体二极管也不通，保护了后级电路的影响。

3）低压侧使用nmos
原理同高压侧使用pmos。

使用用分立mos搭建的缺点是：

• 缺少反向电流阻断
• 低压下pmos的导通电阻大，导致功耗大
• pmos贵
• 没人喜欢地上有波动，所以nmos放地上大概率不用。
  4）理想二极管

4.总结

反极性保护和反向电流保护是不同的概念，反极性保护可以防止负压对负载造成损坏，不一定会阻止反向电流。

参考文献

《11 Ways to Protect Your Power Path》