【技术大神】直流电路防反接电路设计与分享
在实际应用中，卡件常常有接线的需要，然而在实操过程中我们常常会碰到这样的情况，工人操作失误将直流电源的两根线接反了造成卡件在上电调试的过程中烧毁；或者由于工程需要临时更改线路造成电源反接造成电路板损伤。这样的例子不胜枚举。作为一项长期由人员操作维护的项目，这种情况的出现实在是无法规避，操作人员素质和各方面的原因也是难以回避的问题。因此，这就对电路设计提出了能够防反接保护的要求。本文是根据笔者自身的经验给大家介绍几种防反接保护电路的设计方法，供诸位借鉴参考。
通常情况下，直流电源输入防反接保护电路可以利用二极管的单向导电性来实现防反接保护，如下图1示。这种接法简单可靠，当电路接法正确时电路电流能够顺利通过二极管，当反接出现，由于PN结对载流电子的阻挡，电流无法通过，从而实现了对电路反接保护。
图1：利用快恢复二极管做反接保护
笔者常常需要为一些冗余系统板件电源接口做保护设计，因此我在利用二极管单向导电特性的进行防反接保护的同时，也要对泄露进被保护电路的冲击进行防护，避免因为长期冲击出现的器件的提前老化。因此在设计电路的前级选用了新电元公司的快恢复二极管S3K60用以防反接保护，即使反接短路后也能够快速恢复系统供电，冗余系统电路板迅速恢复工作；后级则选用了LITTELFUSE的TVS管SMCJ48A做后级瞬变冲击的防护，配合快恢复二极管发挥保护作用。
新电元公司以设计电桥出名，在业内有很大的影响力，在大电流应用场合比较广泛。其推出的快恢复二极管S3K60具有高耐压能力，反向电压达到600V，且恢复能力极快，恢复时间做到100nS，能够快速对外部电压变化做出反应。同时配合ns级的TVS管能够将反接期间造成的损伤减到最小。
如果对电路在接反的情况下也要求电路能够正常工作，可以采用图2中的电路。图2中使用二极管搭接电桥，当电路在正反接入的情况下都能输出正确的电压。其输入情况是当正向输入电压时，D2，D3导通，反向接入时D1，D4导通，从而使被保护的电路能够正常工作。
图2：利用二极管整流实现电路接口保护
但以上两种电路只适用于输入电流不大的时候，当输入电流大时就不再适用，因为此时功耗的影响会变得非常大，同时快恢复二极管正向导通也会带来压降的影响。以图1为例，输入电流额定值达到3A， 快速恢复二极管S3K60，额定管压降为1.3V，那么功耗至少也要达到：Pd＝3A×1.3V＝3.9W。如此一来，不但降低做功效率，且二极管发热量大需要做合适的散热处理。而对于图2 的桥式整流器，虽然从功能上说看上去更为灵活，但是需要两个二极管导通，功耗是第一种的两倍。
为了解决压降和功耗问题，我们可以引入MOS管做防反接电路保护，其电路图如图3所示。
图3：利用N-Mosfet进行防反接保护电路
利用了MOSFET管的开关特性，控制电路的导通和断开可以进行防反接保护。这部分电路可以将保护用场效应管与被保护电路串联连接。保护用场效应管可以用P-Mosfet场效应管，也可以使用N-Mosfet场效应管。如果是P-Mosfet，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P-Mosfet元件的衬底。如果是N-Mosfet，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N-Mosfet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。这里由于物料管理的需要我们的电路设计使用N-Mosfet管进行设计。
我们选用了新电元公司的N-Mosfet管P26F28HP2来进行此电路设计。由于功率MOS管的内阻很小，我们选用这款管子源极和漏极的导通阻抗Rd（On）在导通情况下最大仅为0.15Ω，可以解决二极管电源防反接方案存在的压降和功耗过大问题。
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，R1提供VGS电压，Mosfet饱和导通。反接时，Mosfet不能导通，所以起到防反接作用。功率Mosfet管的Rds（on）最大只有0.15Ω，实际损耗很小，如输入3A的电流，功耗仅为（3×3）×0.015=0.135W。相对于图1中的电路减少20多倍，且根本不用做任何散热处理，减少了工艺处理的工序。有针对性地解决压降和功耗问题。
因此，我们可以看出针对不同的应用场合可以使用不同的电路设计。对于电流不大以及对产品体积有要求的情况下，我们可以使用快恢复二极管来解决反接问题。对于大电流的情况，我们可以引入Mosfet管来解决反接并降低这部分电路带来压降和功耗。
作者：春天里的远征
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