PMOS-電池充電器的反向電壓保護(hù)（二）-KIA MOS管

P 溝道 MOSFET 設(shè)計(jì)

圖7示出了第二種方法，即采用一個(gè) PMOS 晶體管作為保護(hù)器件。

在此電路中，MP1 是反向電池檢測(cè)器件，MP2 是反向隔離器件。利用 MP1 的源極至柵極電壓來(lái)比較電池的正端子與電池充電器輸出。如果電池充電器端子電壓高于電池電壓，則 MP1 將停用主傳輸器件 MP2。

因此，如果電池電壓被驅(qū)動(dòng)至低于地電位，則顯然，檢測(cè)器件 MP1 將把傳輸器件 MP2 驅(qū)動(dòng)至關(guān)斷狀態(tài) (將其柵極干擾至其源極)。不管電池充電器是使能并形成充電電壓還是停用 (0V)，它都將完成上述操作。

該電路的最大優(yōu)勢(shì)是 PMOS 隔離晶體管 MP2 根本不具備將負(fù)電壓傳送至充電器電路和負(fù)載的權(quán)限。圖8對(duì)此做了更加清晰的圖解。

通過(guò) R1 在 MP2 的柵極上可實(shí)現(xiàn)的最低電壓為 0V。即使 MP2 的漏極被拉至遠(yuǎn)低于地電位，其源極也不會(huì)施加顯著的電壓下行壓力。一旦源極電壓降至晶體管高于地電位的 VTH，晶體管將解除自身偏置，而且它的傳導(dǎo)性逐漸消失。

源極電壓越接近地電位，晶體管的偏置解除程度越高。這種特性加上簡(jiǎn)單的拓?fù)洌沟眠@種方法比前文介紹的 NMOS 方法更受青睞。與 NMOS 方法相比，它確實(shí)存在著 PMOS 晶體管導(dǎo)電性較低且成本較高的不足。

盡管比 NMOS 方法簡(jiǎn)單，但是該電路還有一個(gè)很大的缺點(diǎn)。雖然它始終提供針對(duì)反向電壓的保護(hù)作用，但是它可能不會(huì)總是將電路連接到電池。

當(dāng)柵極如圖8所示交叉耦合時(shí)，該電路形成了一個(gè)閉鎖存儲(chǔ)元件，此元件有可能選擇錯(cuò)誤的狀態(tài)。雖然難以實(shí)現(xiàn)，但存在這樣一種情況：充電器正在產(chǎn)生電壓 (比如 12V)，在一個(gè)較低的電壓 (比如 8V) 附聯(lián)電池，電路斷開(kāi)連接。

在這種情況下，MP1 的源極至柵極電壓為 +4V，因而強(qiáng)化 MP1 并停用 MP2。這種情況如圖 9 所示，并在節(jié)點(diǎn)上列出了穩(wěn)定的電壓。

為了實(shí)現(xiàn)該條件，電池接入時(shí)充電器必須已經(jīng)處于運(yùn)行狀態(tài)。如果電池在充電器使能之前接入，則 MP1 的柵極電壓完全由電池上拉，因而停用 MP1。當(dāng)充電器接通時(shí)，它產(chǎn)生一個(gè)受控的電流 (而不是高電流沖擊)，這降低了 MP1 接通、MP2 關(guān)斷的可能性。

另一方面，如果充電器在電池附聯(lián)之前啟用，則 MP1 的柵極只需簡(jiǎn)單地跟隨電池充電器輸出，因?yàn)樗怯尚狗烹娮杵?R2 上拉的。未接入電池時(shí)，MP1 根本沒(méi)有接通和使 MP2 脫離運(yùn)行狀態(tài)的傾向。

當(dāng)充電器已經(jīng)啟動(dòng)并運(yùn)行、而電池附聯(lián)在后時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題。在這種情況下，在充電器輸出和電池端子之間存在瞬間差異，這將促使 MP1 使 MP2 脫離運(yùn)行狀態(tài)，因?yàn)殡姵仉妷簭?qiáng)制充電器電容進(jìn)行吸收。這使 MP2 從充電器電容器吸取電荷的能力與 MP1 使 MP2 脫離運(yùn)行狀態(tài)的能力之間形成了競(jìng)爭(zhēng)。

該電路也用一個(gè)鉛酸電池和 LTC4015 電池充電器進(jìn)行了測(cè)試。將一個(gè)承受重負(fù)載的 6V 電源作為電池模擬器連接至一個(gè)已經(jīng)使能的電池充電器絕對(duì)不會(huì)觸發(fā)“斷開(kāi)連接”狀態(tài)。所做的測(cè)試并不全面，應(yīng)在關(guān)鍵應(yīng)用中更加全面徹底地進(jìn)行測(cè)試。即使電路確已鎖定，停用電池充電器并重新啟用它仍將始終導(dǎo)致重新連接。

故障狀態(tài)可通過(guò)人為操控電路 (在 R1 的頂端和電池充電器輸出之間建立臨時(shí)連接) 進(jìn)行演示。然而，普遍認(rèn)為該電路更傾向于連接。如果連接失敗確實(shí)成為一個(gè)問(wèn)題，那么可以設(shè)計(jì)一款利用多個(gè)器件停用電池充電器的電路。圖 12 給出了一個(gè)更加完整的電路例子。

圖10示出了充電器被停用的 PMOS 保護(hù)電路的效果。請(qǐng)注意，不論什么情況，電池充電器和負(fù)載電壓都不會(huì)出現(xiàn)負(fù)電壓傳送。圖11示出了該電路處于“當(dāng)反接電池進(jìn)行熱插拔時(shí)充電器已進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)”這種不利情況下。

與 NMOS 電路的效果相差無(wú)幾，在斷開(kāi)電路連接使傳輸晶體管 MP2 脫離運(yùn)行狀態(tài)之前，反向電池略微下拉充電器和負(fù)載電壓。

在電路的這個(gè)版本中，晶體管 MP2 必須能夠經(jīng)受兩倍于電池電壓的 VDS (一個(gè)用于充電器，一個(gè)用于反接電池) 和等于電池電壓的 VGS。

另一方面，MP1 必須能夠經(jīng)受等于電池電壓的 VDS和兩倍于電池電壓的 VGS。這項(xiàng)要求令人遺憾，因?yàn)閷?duì)于 MOSFET 晶體管來(lái)說(shuō)，額定 VDS始終超過(guò)額定 VGS。

可以找到具有 30V VGS 容限和 40V VDS 容限的晶體管，適合鉛酸電池應(yīng)用。為了支持電壓較高的電池，必須增添齊納二極管和限流電阻器來(lái)修改電路。圖12示出了一個(gè)能夠處理兩個(gè)串聯(lián)堆疊鉛酸電池的電路實(shí)例。

D1、D3 和 R3 保護(hù) MP2 和 MP3 的柵極免受高電壓的損壞。當(dāng)一個(gè)反接電池進(jìn)行熱插拔時(shí)，D2 可防止 MP3 的柵極以及電池充電器輸出快速移動(dòng)至地電位以下。當(dāng)電路具有反接電池或處于錯(cuò)誤斷開(kāi)連接閉鎖狀態(tài)時(shí)，MP1 和 R1 可檢測(cè)出來(lái)，并利用缺失的 LTC4015 的 RT 特性來(lái)停用電池充電器。

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