21世紀(jì)屬于由電池驅(qū)動(dòng)的便攜式設(shè)備。從智能手機(jī)、筆記本電腦到智能家居和辦公用品，這些新型電子設(shè)備體積小巧，功耗更高，具有多種功能，可以通過(guò)電池供電。這些電子器件通常有像二極管、晶體管、電容器或集成電路這樣的組件，這些組件嵌入在它們里面，在本質(zhì)上是極化的。所以這些器件的電子線路基本上必須提供直流電源是一個(gè)特定的極性。

任何電池都有兩個(gè)端子——陽(yáng)極和陰極，電流總是從陽(yáng)極流向陰極。實(shí)際上，電子是從陰極流向陽(yáng)極的。但是為了保持電流的定義不受載流子的影響，常規(guī)電流的方向一般是從陽(yáng)極或正極到陰極或負(fù)極。

許多器件由于對(duì)電源的要求是一個(gè)特定的極性，有一個(gè)機(jī)械組裝或電池設(shè)計(jì)的方式，電池可以附加在一個(gè)特定的極性只。但并不是所有的設(shè)備都是這樣。有很多設(shè)備使用普通電池運(yùn)行，電子設(shè)備的機(jī)械組裝只有指示器或指令以特定的方式連接電池。盡管如此，由于人為錯(cuò)誤，電池仍然可以以任何一種方式與電路連接。

如果電池以反向極性連接到設(shè)備上，可能會(huì)對(duì)電池以及電子設(shè)備本身造成嚴(yán)重?fù)p害。這種情況并不少見(jiàn)。由于反向連接，極化元件由于通過(guò)它們的反向電壓而開(kāi)始沖擊，并且器件可能會(huì)永久損壞。反向極性也會(huì)影響電池，反向連接可能會(huì)引爆電池，或者有可能在反向極性連接到電路后，電池可能不再充電。

為了節(jié)省電池和電子設(shè)備的壽命，通常明智的做法是在電池之后或任何電子設(shè)備的內(nèi)部電路之前使用反向電池保護(hù)電路。還可以在設(shè)備電路的電源輸入端加入反向電池保護(hù)電路。逆向電池保護(hù)電路也節(jié)省了電子電路的任何回流從電池。

反向電池保護(hù)電路可以建立使用二極管，MOSFET 或 BJT。在本教程中，逆向電池保護(hù)電路從這些組成部分將設(shè)計(jì)和測(cè)試的功率效率與不同的負(fù)載。實(shí)驗(yàn)中不采用實(shí)際電路作為負(fù)載，而是采用不同的電阻作為負(fù)載。為了測(cè)試保護(hù)電路的功率效率，測(cè)量了保護(hù)電路上的電壓降和負(fù)載上的電流。

保護(hù)電路也會(huì)消耗電池的電量，從而導(dǎo)致電量的損耗。因此，保護(hù)電路應(yīng)該消耗最小的功率，以便在負(fù)載時(shí)輸出最大功率。提供給負(fù)載的功率與負(fù)載電路上可用的電壓成正比。這是保護(hù)電路中電壓降之后的剩余電壓，因此通過(guò)保護(hù)電路的電壓降將被測(cè)量。通過(guò)保護(hù)電路的電壓降應(yīng)該是最小的。其次，通過(guò)負(fù)載電路的電流將被測(cè)量，這將表明負(fù)載電路的實(shí)際可用功率。負(fù)載電路輸出的電流越多，消耗的電能就越多。

所需組件

圖1： 逆向電池保護(hù)所需元件清單

以下是電池保護(hù)電路的設(shè)計(jì)方法

二極管

設(shè)計(jì)電池保護(hù)電路最簡(jiǎn)單的方法是使用二極管。二極管只沿一個(gè)方向傳導(dǎo)電流，并因反向極性而斷開(kāi)。因此，如果一個(gè)二極管串聯(lián)在電池和負(fù)載電路之間，它將只允許一個(gè)極性的電流傳導(dǎo)。只有當(dāng)電池的陽(yáng)極連接到二極管的陽(yáng)極時(shí)，二極管才會(huì)得到正向偏置并允許負(fù)載電路中的電流流動(dòng)。如果將電池的陰極連接到二極管的陽(yáng)極上，二極管就會(huì)產(chǎn)生反向偏置，從而阻止負(fù)載電路中電流的傳導(dǎo)。這將節(jié)省負(fù)載或任何設(shè)備是連接到電池。因此，應(yīng)該連接二極管，使二極管的陰極連接在負(fù)載電路上，電池連接器連接到二極管的陽(yáng)極上。該1n4007二極管可用于反向電池保護(hù)。1n4007二極管的電壓降約為0.7 v，最大正向電流為1a。

圖2： 基于 in4007的反向蓄電池保護(hù)電路圖

實(shí)驗(yàn)采用3.7 v 的鋰離子電池，可提供3.3 v 的電源電壓。一個(gè)1n4007二極管串聯(lián)連接到電池，使電池的陽(yáng)極連接到二極管的陽(yáng)極。不同的負(fù)載電阻通過(guò)開(kāi)關(guān)連接到蓄電池和二極管電路，電路連接通過(guò)公共接地連接到蓄電池的陰極完成。

圖3： 基于二極管反向極性保護(hù)的原理樣機(jī)

因此，輸入電壓，Vin = 3.3 v，在測(cè)量電壓降跨越二極管和電流跨越負(fù)載電阻單獨(dú)，以下結(jié)果被發(fā)現(xiàn)-

圖4： 表列出1n4007二極管上的電壓降和不同負(fù)載下的負(fù)載電流

從上述結(jié)果可以分析，二極管采取更多的電壓降，它作為電流需求在輸出負(fù)載增加。為了降低電壓降，可以使用肖特基二極管，與1n4007二極管相比，其正向電壓降更小。

圖5： 基于1n5819的反向蓄電池保護(hù)電路圖

如果在電路中用1n5819肖特基二極管代替1n4007二極管，可以得到以下結(jié)果：

輸入電壓，Vin = 3.3 v

圖6： 表列出1n5819二極管上的電壓降和不同負(fù)載下的負(fù)載電流

從上述結(jié)果可以分析出，隨著輸出負(fù)載電流需求的增加，1n5819二極管將承受更大的電壓降。但肖特基二極管的正向電壓降比1n4007低。

使用二極管電路的缺點(diǎn)

二極管的電壓下降，因此整體功耗增加。可以說(shuō)，二極管浪費(fèi)了一部分功率。

二極管的使用限制了負(fù)載可以產(chǎn)生的最大輸出電流。例如，1n4007和1n5819允許的最大正向電流僅為1a。

解決方案

?具有較小正向壓降的肖特基二極管也可以用來(lái)代替普通的二極管。可以根據(jù)負(fù)載要求的最大電流選擇二極管。晶體管可以代替二極管，因?yàn)榫w管也可以用于開(kāi)關(guān)應(yīng)用，它們具有較小的電壓降，并且可以處理高負(fù)載。

設(shè)計(jì)保護(hù)電路的第三種方法是使用 n 溝道 MOSFET。當(dāng)柵極端子處有正電壓時(shí)，NMOS 導(dǎo)電。否則，NMOS 仍處于開(kāi)路狀態(tài)。在 MOSFET 中，存在一個(gè)本征體二極管，當(dāng)它正向偏置時(shí)，它就導(dǎo)電。因此，NMOS 可以作為開(kāi)關(guān)晶體管，用于制作反向電池保護(hù)電路。NMOS 通常具有較小的 ON 電阻（rDS）。因此，它在全導(dǎo)電狀態(tài)下的電壓降較小。與二極管或 BJT 相比，N-MOSFET 也可以處理高負(fù)載。

注意： 電路圖可以在“電路圖”標(biāo)簽下找到。

因此，當(dāng)電池正確連接，然后 MOSFET 得到打開(kāi)。在反向電池的柵極端子是低，關(guān)閉 MOSFET 和負(fù)載是斷開(kāi)從電池。

圖7： 在試驗(yàn)板上使用 n MOSFET 的反極性保護(hù)電路原型

實(shí)驗(yàn)采用3.7 v 的鋰離子電池，可提供3.3 v 的電源電壓。一個(gè) BS170 NMOS 用于反向電池保護(hù)。負(fù)載電阻通過(guò) NMOS 的柵極端子和漏極端子之間的開(kāi)關(guān)連接。電池連接到 NMOS 的柵極端子和源極端子上。只有當(dāng)電池的陽(yáng)極連接到 NMOS 的基座時(shí)，NMOS 才導(dǎo)電。如果電池的陰極連接到 NMOS 的基座上，NMOS 將處于關(guān)閉狀態(tài)，從而切斷負(fù)載的電源電壓。

因此，輸入電壓 Vin = 3.3 v，在測(cè)量電壓降跨越晶體管和電流跨越負(fù)載電阻單獨(dú)，以下結(jié)果被發(fā)現(xiàn)-

圖8： 表格列出了不同負(fù)載的 Vds 和加載電流

使用 nMOSFET 的缺點(diǎn)

? MOSFET 需要超過(guò)閾值電平的柵極電壓才能啟動(dòng)。這意味著它們只對(duì)那些能夠提供高于閾值電壓的電池有效。例如，bs170在 Gate 上至少需要0.8 v 電壓才能啟動(dòng)。

解決方案

閾值柵電壓較低的 mosfet 可用于低容量電池。

使用 NPN BJT （雙極性晶體管）-BC547

設(shè)計(jì)反向極性保護(hù)電路的另一種方法是使用 BJT 晶體管。在反向電池保護(hù)電路中，BJT 可用作開(kāi)關(guān)晶體管。NPN BJT 有較高的貝塔值（電流增益） ，這就是為什么它們可以在低基極電流下工作。這樣可以減少功率損耗。而且，它們的電壓降更小。

在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，采用 bc547作為逆向電池的保護(hù)電路。晶體管連接在電路中，負(fù)載電路連接在晶體管的基極和集電極之間，電池連接在晶體管的基極和發(fā)射極上。晶體管的基極使用上拉電阻，這樣基極就可以有適當(dāng)?shù)钠谩．?dāng)電池連接在一起，使得電池的陽(yáng)極連接到晶體管的基極時(shí)，基極處的正向電壓將晶體管開(kāi)關(guān)為 ON 狀態(tài)，電流開(kāi)始從集電極流向發(fā)射極。

這樣電路就完成了，負(fù)載就得到了輸入電源。當(dāng)電池的陰極連接到晶體管的基極時(shí)，晶體管的基極不偏置，晶體管開(kāi)關(guān)處于關(guān)閉狀態(tài)。在晶體管的集電極和發(fā)射極之間沒(méi)有電流流動(dòng)，負(fù)載電路就打開(kāi)了。這將使負(fù)載/設(shè)備不受反向電流的影響。

圖9： 電路板上采用雙極性晶體管的反向極性保護(hù)電路原型

實(shí)驗(yàn)采用3.7 v 的鋰離子電池，可提供3.3 v 的電源電壓。一 bc547晶體管連接，使得負(fù)載電阻連接在晶體管的基極和集電極之間，電池連接器連接在晶體管的基極和發(fā)射極之間。

因此，輸入電壓 Vin = 3.3 v，在測(cè)量電壓降跨越晶體管和電流跨越負(fù)載電阻單獨(dú)，以下結(jié)果被發(fā)現(xiàn)-

圖10： 表列不同負(fù)載的 Vce 和負(fù)載電流

從上述結(jié)果可以分析，bc547需要更多的電壓下降，作為電流需求增加，在輸出。但是整個(gè) BJT 的電壓降遠(yuǎn)小于二極管和 MOSFET。因此，BJT 作為反向電池保護(hù)電路的工作性能優(yōu)于 MOSFET 和二極管。

使用 bc547的缺點(diǎn)

?電路的設(shè)計(jì)應(yīng)保持基極電流，使其能夠以最小的功率損耗驅(qū)動(dòng)高負(fù)載。這是因?yàn)椋姌O電流取決于基極電流。

? bc547允許通過(guò)集電極的最大電流為100ma。這就限制了負(fù)載可以產(chǎn)生的最大電流。

解決方案

?在某些情況下，類(lèi)似2n2222a 的 BJT 可以用來(lái)解決電流限制問(wèn)題。2N2222A 允許最大電流為1a。

? MOSFET 可以代替 BJT，因?yàn)榕c BJT 相比，MOSFET 具有較低的導(dǎo)通電阻，并且可以處理高負(fù)載。但是，由于 MOSFET 具有比 BJT 更高的功率損耗，因此使用 MOSFET 時(shí)必須考慮功率損耗的影響。

結(jié)語(yǔ)

在比較了二極管、 BJT 和 MOSFET 作為反向電池保護(hù)電路的使用情況后，得出的結(jié)果總結(jié)如下表-

圖11： 表列二極管、 NPN BJT 和 N-MOSFET 反向電池保護(hù)特性

由此可見(jiàn)，在使用二極管、 NMOS 和 BJT 進(jìn)行反向電池保護(hù)時(shí)，BJT 的功率效率最高，但存在電流限制。或者，NMOS 也可以使用，但是存在閾值電壓?jiǎn)栴}。因此，對(duì)于電流要求較低的負(fù)載電路，最好使用 BJT。如果負(fù)載電路的電流要求很高，并且工作在大功率上，推薦使用 NMOS。對(duì)于不存在電壓降或電流需求問(wèn)題的低成本電路，可以使用二極管。

審核編輯：郭婷