Схема коррекции полярности защищает устройства с батарейным питанием

В опубликованной ранее статье описывалась схема защиты от переполюсовки [1], обеспечивающая правильное подключение батареи к нагрузке независимо от ориентации батареи в держателе. Схема, основанная на низковольтной КМОП микросхеме быстродействующего аналогового коммутатора MAX4636, работала, но имела некоторые недостатки. У нее был несколько ограниченный диапазон напряжений источника питания (1.8 – 5.5 В) и немного высокое внутреннее сопротивление, что ограничивало ее применение устройствами со скромными токами нагрузки, не превышающими 30 мА. К счастью, теперь эти ограничения можно преодолеть благодаря существенным достижениям в технологии MOSFET.

Вебинар Экономичные решения МЕAN WELL для надежных разработок - 30.09.2021

На Рисунке 1 показана схема защиты нагрузки от переполюсовки батареи с использованием p-канального MOSFET. Обычно, чтобы включить p-канальный MOSFET, необходимо подать соответствующее напряжение между затвором и истоком (потенциал вывода затвора должен быть отрицательным относительно вывода истока). Показанный на Рисунке 1 p-канальный MOSFET включен немного по-другому и работает следующим образом.

Эта схема защищает нагрузку от переполюсовки батареи с помощью p-канального MOSFET.
Рисунок 1. Эта схема защищает нагрузку от переполюсовки батареи с помощью
p-канального MOSFET.

Когда питание подано на клеммы A и B (клемма A – положительная, B – отрицательная), внутренний диод D1 транзистора открыт и обеспечивает управляющее напряжение между затвором и истоком Q1, открывающее транзистор. Низкое сопротивление открытого MOSFET шунтирует диод D1 и обеспечивает питание нагрузки.

Когда полярность подключения батареи противоположна, напряжение подается на клеммы A и B (теперь клемма A – отрицательная, а B – положительная), и внутренний диод D1 транзистора закрыт, поэтому напряжение затвор-исток Q1 равно нулю. В результате транзистор Q1 закрыт, и ток в нагрузку не течет.

Другими словами, p-канальный MOSFET Q1 в этой схеме ведет себя как диод (то есть как виртуальный «D2») с очень низким прямым пороговым напряжением. Аналогичным образом можно использовать n-канальный MOSFET (Рисунок 2).

Эта схема защищает нагрузку от переполюсовки батареи с помощью n-канального MOSFET.
Рисунок 2. Эта схема защищает нагрузку от переполюсовки батареи с помощью
n-канального MOSFET.

Когда клемма A положительна, а клемма B отрицательна, внутренний диод D1 смещается в прямом направлении, обеспечивая между затвором и истоком Q1 управляющее напряжение, открывающее транзистор. Низкое сопротивление открытого MOSFET шунтирует диод D1 и обеспечивает питание нагрузки.

Когда полярность подключения батареи к клеммам A и B противоположна, (клемма A – отрицательная, B – положительная), внутренний диод D1 смещен в обратном направлении, и напряжение между затвором и истоком транзистора равно нулю. MOSFET Q1 закрыт, и ток в нагрузку не течет.

Схемы, показанные на Рисунках 1 и 2, могут использоваться для защиты нагрузки от переполюсовки батареи вместо обычной диодной защиты, но не могут питать нагрузку, если батарея установлена неправильно.

Когда батарея установлена, как показано на Рисунке 3, к истоку p-канального транзистора Q2 через смещенный в прямом направлении внутренний диод D2 приложен положительный потенциал. Поэтому затвор Q2 оказывается подключенным к отрицательной клемме батареи, и Q2 открыт. Отрицательная клемма батареи подключена к истоку n-канального транзистора Q3 через его внутренний диод D3, смещенный в прямом направлении. В этих условиях Q3 включается, поскольку его затвор находится под потенциалом положительной клеммы батареи. В результате при такой ориентации батареи транзисторы Q2 и Q3 активны и подают напряжение батареи на нагрузку, в то время как Q1 и Q4 остаются выключенными.

Эта схема обеспечивает питание нагрузки при любой полярности установки батареи.
Рисунок 3. Эта схема обеспечивает питание нагрузки при любой полярности
установки батареи.

В следующем сценарии батарея установлена в противоположной ориентации. Теперь к истоку p-канального транзистора Q4 через его прямосмещенный внутренний диод D4 приложен положительный потенциал. Поскольку затвор Q4 находится под потенциалом отрицательной клеммы батареи, транзистор открыт. Внутренний диод D1 транзистора Q1 смещен в прямом направлении, позволяя истоку n-канального MOSFET Q1 подключиться к отрицательному контакту батареи. В то же время затвор Q1 имеет потенциал положительного контакта батареи, поэтому Q1 включен. Поскольку оба транзистора Q1 и Q4 открыты, батарея подключена к нагрузке, в то время как Q2 и Q3 закрыты.

Обратите внимание, что эта конструкция поддерживает функцию безопасности, основанную на использовании внутренних диодов MOSFET. Диоды транзисторов Q1 – Q4 образуют полномостовой выпрямитель. В случае повреждения MOSFET диодный мост все равно может выпрямлять входное напряжение, тем самым, обеспечивая правильную полярность питания нагрузки.

Дополнение

Схема, показанная на Рисунке 3, предназначена для использования с относительно низкими напряжениями, не превышающими максимально допустимых напряжений затвор-исток n- и p-канальных MOSFET, значения которых обычно составляют ±15 – 20 В. Для приложений, требующих более высоких напряжений батареи, схему на Рисунке 3 следует изменить, чтобы защитить затворы MOSFET, как показано на Рисунке 4.

Защита промежутков затвор-исток MOSFET.
Рисунок 4. Защита промежутков затвор-исток MOSFET.

Для защиты затворов MOSFET в схему добавлены стабилитроны D5 – D8. Резисторы R1 и R2 предназначены для ограничения тока. В большинстве случаев значения напряжений стабилизации стабилитронов D5 – D8 должны находиться между 12 и 13 В. Этого достаточно, чтобы каналы включенных MOSFET имели минимальные сопротивления. Сопротивления R1 и R2 (R1 = R2 = R) можно рассчитать следующим образом:

где

VBATT – напряжение батареи,
RDS-ON – сопротивление сток-исток включенного MOSFET,
ILOAD – ток нагрузки,
VZEN – напряжение обратного пробоя стабилитрона,
IZEN – рабочий ток стабилитрона.

Ссылки

  1. John Guy. «Схема защиты от переполюсовки с автоматическим исправлением полярности»

EDN

Перевод: AlexAAN по заказу РадиоЛоцман

На английском языке: Polarity-correcting circuit protects battery-powered devices

Изготовление 1-4 слойных печатных плат за $2

Прецизионный высоковольтный операционный усилитель ADA4097−1 с низким потреблением от Analog Devices
Для комментирования материалов с сайта и получения полного доступа к нашему форуму Вам необходимо зарегистрироваться.
Имя