使用PMOS完成常用的电路保护

在如今的电路设计之中,无论是DC-DC开关电源还是LDO都有完善的反馈特性能够完成很好的压控设计目标,在一些场景之中为了防止反接常常使用一些物理防呆接口——但是俗话说的好:防呆不防傻,大力出奇迹。所以对于过高的电压、反接电源烧毁电路还是需要注意,这时候我们可以使用P沟道MOSFET非常轻松的完成这些电路,实现很好的效果。

1. 整体原理图分析

上图之中大致可以分成两部分,在R3-D2左侧的是防反接电路,右侧的是过压保护和缓启动电路。我们首先来分析PMOS防反接电路:可以发现P沟道MOSFET的Q1处于反向驱动状态,我们期望的电流方向是从D到S流动,使用体二极管做前置,让我们首先不考虑C1,R1,R2,D1,认为Q1的栅极(G)直接接入GND:

  • 如果\(V_{in}>0\)并且后级电路没有上电,那么体二极管正向偏置导通,将Q1-S处电压拉高,这时候对于Q1而言\(V_{gs}=V_g-V_s=-V_s=V_{in}-V_{Q1,Diode}\)只要这个电压值大于开通阈值电压\(V_{Q1,threshold}\)那么Q1开通,电路正常工作。
  • 如果\(V_{in}<0\)也就是出现了电源反接的状况,只要\(V_{in}\)不超过Q1的提二极管的击穿电压,那么即使体二极管反向偏置也不会击穿,这时候G和S都相当于接地,压差不超过开通阈值电压,整个P-MOS处于关断状态,电路不开放电流通道,完成了防反接。

电路之中的R1和C1事实上是构成了一个简易的RC滤波器,这两个器件应当选择较小的容值和阻值,这样就能够滤除电源输入中的高频小幅值噪声。R2和D1的作用是保护MOS管栅极,R2用于限流并且 提供在D1反向击穿时的电流通路;D1是一个齐纳二极管,它工作在反向状态,这个管子的反向击穿电压应当小于Q1的最大G-S电压,这样一来假设\(V_{in}\)过大它就会将G-S之间的电压钳位到它本身的击穿电压,从而保护了PMOS不被从栅极击穿。

在右侧的电路之中我们可以发现Q2也有R6,D3作为这样的栅极保护电路。事实上这部分电路主要完成两个任务:缓启动和过压保护。Q3的PNP三极管用于控制Q2的通断,而完成过压保护的核心就是R3-D2构成的钳位电路,让我们分析一下:

  • 假设经过了防反接电路的直流母线电压是\(V_{DC}\),那么在选取器件时假设这个电压可能超过我们希望的最大电压,我们就要将D2的反向击穿电压选择为我们希望的\(V_{max}\)。
  • 如果\(V_{DC}\le V_{max}\)那么虽然D2反向偏置但是不足以击穿,此时可以认为这个二极管不存在,\(V_{Q3,B}\)相当于被上拉到\(V_{DC}\)——E-B结没有足够的正向偏置电压,三极管不导通,相当于断路。那么栅极相当于被R5,R6下拉接地,Q2因为G-S电压超过开通阈值而导通,后级电路就可以得到正常供电。
  • 如果\(V_{DC}> V_{max}\)那么D2反向偏置并且击穿,将R3与它之间结点的电压钳位到\(V_{max}\),此时R3承受的电压就是\(V_{DC}-V_{max}\),故而R3应当选择一个较大的阻值以减小流过的电流从而降低热功。只要\(V_{DC}-V_{max}\ge -V_{Q3,BE}\)那么三极管就将开通,并且因为此时E-B结正向偏置开通,故而B处的电压会被钳位到\(V_{DC}-(-V_{Q3,BE})\),这就是R4存在的必要性,因为B处的电压经过钳位后不会完全等于R3低压侧的电压。由于三极管开通,所以栅极相当于通过三极管上拉到\(V_{DC}-V_{Q3,saturation}\),因此只要PNP三极管的饱和导通压降低于开通阈值就会使MOS管保持关断,后级电路不会供电。
  • C2起到缓启动的作用,由于电容两端的电压不能突变,因而在上电时的一瞬间,C2会强制令集电极上的电压保持与基极相同,随后通过电阻慢慢放电降低集电极上的电压,给栅极通入电流开通MOS管,而放电的时间就是所谓的缓启动时间,在这个过程之中网络输出侧的电压和电流都会缓慢攀升。

这里补充两点:在防反接电路的构建方法之中,也可以在电源的回流路线,也就是上图之中的GND上增加一个N-MOS管组建和本方案相似的电路,只不过这样会使得电源地并不等于后级电路地平面的电压,笔者不喜欢这种方式因而不采用这种方案,但这并不意味着这种方案不可用。第二就是C2也可以直接接在Q2的栅极和源极之间,增加MOS管导通过程之中的米勒时间,两种方案大同小异。

2. LT-Spice仿真验证

以上是笔者在LT-Spice之中简单搭建的仿真电路,设定的过压保护值为9.1V,使用一个\(100\Omega\)的电阻作为,模拟负载。P-MOS和PNP实际上是随便选的,除非做实际电路的时候完全不关心选型或者应用条件非常恶劣,这个电路实际上不是很挑参数,以下是反接、过压、正常接入电源时的波形:

上述三个模拟的电源都在0.5s时产生开关动作,分别是-10V(反接情况)、+10V(过压情况)、+6.3V(正常缓启动状况)三种,可以发现在反接和过压切换瞬间出现了一个尖峰(这种状况有仿真不完全贴合实际的一面也有参数选择的小问题)之外符合预期,感兴趣者可以下载仿真文件

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About the Author: Fenice

本人及开发团队主要兴趣领域为:自动控制理论、网站开发、移动端开发、嵌入式系统、机器人相关项目、电力电子技术、电动机控制。以及,兼任北京海淀区北下关街道反卷委员会常务委员长并且获得“全年度中国最佳懒狗”称号。

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