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                                            6. PMOS-電池充電器的反向電壓保護介紹
                                              • 發布時間:2022-04-08 18:58:45
                                              • 來源:
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                                              PMOS-電池充電器的反向電壓保護介紹
                                              P 溝道 MOSFET 設計
                                              圖7示出了第二種方法,即采用一個 PMOS 晶體管作為保護器件。
                                              PMOS 電池充電器 反向 保護
                                              在此電路中,MP1 是反向電池檢測器件,MP2 是反向隔離器件。利用 MP1 的源極至柵極電壓來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,如果電池電壓被驅動至低于地電位,則顯然,檢測器件 MP1 將把傳輸器件 MP2 驅動至關斷狀態 (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。
                                              該電路的最大優勢是 PMOS 隔離晶體管 MP2 根本不具備將負電壓傳送至充電器電路和負載的權限。圖8對此做了更加清晰的圖解。
                                              PMOS 電池充電器 反向 保護
                                              通過 R1 在 MP2 的柵極上可實現的最低電壓為 0V。即使 MP2 的漏極被拉至遠低于地電位,其源極也不會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。這種特性加上簡單的拓撲,使得這種方法比前文介紹的 NMOS 方法更受青睞。與 NMOS 方法相比,它確實存在著 PMOS 晶體管導電性較低且成本較高的不足。
                                              盡管比 NMOS 方法簡單,但是該電路還有一個很大的缺點。雖然它始終提供針對反向電壓的保護作用,但是它可能不會總是將電路連接到電池。
                                              當柵極如圖8所示交叉耦合時,該電路形成了一個閉鎖存儲元件,此元件有可能選擇錯誤的狀態。雖然難以實現,但存在這樣一種情況:充電器正在產生電壓 (比如 12V),在一個較低的電壓 (比如 8V) 附聯電池,電路斷開連接。
                                              在這種情況下,MP1 的源極至柵極電壓為 +4V,因而強化 MP1 并停用 MP2。這種情況如圖 9 所示,并在節點上列出了穩定的電壓。
                                              PMOS 電池充電器 反向 保護
                                              為了實現該條件,電池接入時充電器必須已經處于運行狀態。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。當充電器接通時,它產生一個受控的電流 (而不是高電流沖擊),這降低了 MP1 接通、MP2 關斷的可能性。
                                              另一方面,如果充電器在電池附聯之前啟用,則 MP1 的柵極只需簡單地跟隨電池充電器輸出,因為它是由泄放電阻器 R2 上拉的。未接入電池時,MP1 根本沒有接通和使 MP2 脫離運行狀態的傾向。
                                              當充電器已經啟動并運行、而電池附聯在后時,就會出現問題。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 脫離運行狀態,因為電池電壓強制充電器電容進行吸收。這使 MP2 從充電器電容器吸取電荷的能力與 MP1 使 MP2 脫離運行狀態的能力之間形成了競爭。
                                              該電路也用一個鉛酸電池和 LTC4015 電池充電器進行了測試。將一個承受重負載的 6V 電源作為電池模擬器連接至一個已經使能的電池充電器絕對不會觸發“斷開連接”狀態。所做的測試并不全面,應在關鍵應用中更加全面徹底地進行測試。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致重新連接。
                                              故障狀態可通過人為操控電路 (在 R1 的頂端和電池充電器輸出之間建立臨時連接) 進行演示。然而,普遍認為該電路更傾向于連接。如果連接失敗確實成為一個問題,那么可以設計一款利用多個器件停用電池充電器的電路。圖 12 給出了一個更加完整的電路例子。
                                              PMOS 電池充電器 反向 保護
                                              圖10示出了充電器被停用的 PMOS 保護電路的效果。請注意,不論什么情況,電池充電器和負載電壓都不會出現負電壓傳送。圖11示出了該電路處于“當反接電池進行熱插拔時充電器已進入運行狀態”這種不利情況下。
                                              PMOS 電池充電器 反向 保護
                                              與 NMOS 電路的效果相差無幾,在斷開電路連接使傳輸晶體管 MP2 脫離運行狀態之前,反向電池略微下拉充電器和負載電壓。
                                              在電路的這個版本中,晶體管 MP2 必須能夠經受兩倍于電池電壓的 VDS (一個用于充電器,一個用于反接電池) 和等于電池電壓的 VGS。
                                              另一方面,MP1 必須能夠經受等于電池電壓的 VDS和兩倍于電池電壓的 VGS。這項要求令人遺憾,因為對于 MOSFET 晶體管來說,額定 VDS始終超過額定 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修改電路。圖12示出了一個能夠處理兩個串聯堆疊鉛酸電池的電路實例。
                                              PMOS 電池充電器 反向 保護
                                              D1、D3 和 R3 保護 MP2 和 MP3 的柵極免受高電壓的損壞。當一個反接電池進行熱插拔時,D2 可防止 MP3 的柵極以及電池充電器輸出快速移動至地電位以下。當電路具有反接電池或處于錯誤斷開連接閉鎖狀態時,MP1 和 R1 可檢測出來,并利用缺失的 LTC4015 的 RT 特性來停用電池充電器。
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