電源防反接電路的幾種實現方案

電子產品要正常工作，就離不開電源。像手機、智能手環這種消費類電子，其充電接口都是標準的接插件，不存在接線的情況，更不會存在電源接反的情況。

但是，在工業、自動化應用中，有很多產品是需要手動接線的，即使操作人員做事情再認真，也難免會出錯。如果把電源線接反了，可能會導致產品被燒掉。

圖1 - 手工接線

那如果在設計產品的時候，就考慮了電源防接反而設計了防接反電路是不是會方便很多呢？今天就來討論一下如何實現電源防接反，電源防接反的電路有哪些。

1.使用二極管防止電源接反

二極管就有單向導電的特性，在二極管的兩端加上合適的正向電壓后，二極管導通；而如果加上反向電壓后，二極管截止。利用二極管的這個特性可以實現電源的防接反電路，將二極管正向串聯在電路中即可。使用二極管搭建的電源防接反電路如圖2所示。

圖2- 二極管防反接電路

二極管防反接電路分析

將二極管正向串聯在電路中，如果電源接線正確的話，PN節正偏使二極管導通，負載得電工作，二極管產生(0.7-3)V的電壓降。如果二極管反接的話，PN節處于反偏狀態，電阻非常大，電路不通，從而保護了負載的安全。

電路仿真

電路仿真如圖3所示，左圖電源的接線是正確的，負載LED被點亮；右圖電源的接線反了，負載LED不工作。由此可見二極管可以實現電源防反接功能，電源接反后，電路不通，負載不工作，而不會把負載燒壞。

圖3 - 電路仿真

二極管防反接電路的優缺點分析

該電路的優點很明顯，電路簡單，實用性較強，關鍵成本很低。但是卻存在幾個缺點，如下：

缺點一，二極管具有正向電壓降，壓降范圍為(0.7-3)V，對于低電壓而言可能不適用，分壓后可能導致負載電壓不夠。

缺點二，二極管的耐壓很高，但是過電流能力有限，例如4007二極管的大正向連續電流約為1A。

2.使用P-MOS防止電源接反

MOS管是一種壓控型的半導體器件，應用廣泛，可以分為P-MOS和N-MOS，具有三個電極，分別為柵極G、漏極D和源極S?？梢允褂迷撈骷韺崿F電源的防反接，使用P-MOS實現防反接的電路示意圖如圖4所示。

圖4 - PMOS防反接電路

P-MOS防反接電路分析

P-MOS的導通條件時柵極和源極之間的電壓VGS<0時導通，否則截止，利用P-MOS防電源反接時，P-MOS接在高側，即靠近電源正極一側。

當電源接線正確時，假設電源電壓為U，柵極G為低電平，由于寄生二極管的原因，使得源極S的電位為U-0.7，所以VGS<0,P-MOS管導通，從而使負載得電，電路正常工作。

當電源反接時，柵極G為高電平，VGS>0，所以P-MOS不導通，電路不工作。

P-MOS防反接電路仿真

仿真電路圖如圖5所示。左圖是電源接線正確的電路圖，發光二極管被點亮；右圖是電源接線錯誤的電路圖，發光二極管不工作。

圖5- PMOS仿真電路

P-MOS防反接注意事項/優缺點

P-MOS要接在電源的正極一側，并且要將寄生二極管正向串聯在電路中，其工作原理正是利用了二極管的單向導電特性，這個應用要和P-MOS的開關應用區分開。

其優點就是導通壓降小，因為MOS管的導通內阻非常小，所以壓降非常小。

3.使用N-MOS防止電源接反

N-MOS防電源反接的電路和P-MOS的工作原理是一樣的，只不過N-MOS需要接在電源負極一側，即低端。N-MOS防反接的電路示意圖如圖6所示。

圖6- NMOS實現電源防反接電路

N-MOS防反接電路分析

N-MOS的導通條件時柵極和源極之間的電壓VGS>0時導通，否則截止，利用N-MOS防電源反接時，N-MOS接在低側，即靠近電源負極一側。

當電源接線正確時，假設電源電壓為U，柵極G為高電平U，由于寄生二極管的原因，使得源極S的電位為0.7，所以VGS>0,N-MOS管導通，從而使負載得電，電路正常工作。

當電源反接時，柵極G為低電平，VGS=0，所以N-MOS不導通，電路不工作。

N-MOS防反接電路仿真

N-MOS仿真電路圖如圖7所示。左圖是接線正確的電路圖，右圖是接線錯誤的電路圖。接線正確時負載工作，接線錯誤時電路不通。

圖7 - NMOS仿真電路

N-MOS防反接注意事項/優缺點

NMOS需要接在電源的低側，即靠近負極的一側，其防止反接的原理與P-MOS防反接原理一致，寄生二極管也是正向串聯在電路中，NMOS導通后將寄生二極管短路掉。

其優點，因為MOS管的導通電阻非常小，只有幾個mΩ，所以壓降非常小。與P-MOS相比，同系列N-MOS的內阻更小。

4.使用整流橋實現電源接線的無極性

除了防反接之外，還可以使用整流橋實現電源的無極性，即電源正接、反接都可以，電路都可以正常工作。

整流橋是由四個二極管所構成的電路，經常用在交流轉直流的整流電路中，在交流的每個周期有兩個二極管同時導通而另外兩個二極管截止，依次輪換。

整流橋仿真電路

整流橋所實現的仿真電路如圖8所示。從圖8可以看出，不管電源正接還是反接，負載LED都能發光，所以整流橋實現了電源的無極性。

圖8 - 整流橋仿真電路

整流橋防反接電路分析

四個二極管組成了整流橋，在不同極性下，只有兩個二極管導通工作，另外兩個處于截止狀態，圖8也畫出了不同電源接法下，電流的方向，從圖中可以看出，只有對橋臂的兩個二極管導通，而另外兩個二極管截止。這也是整流電路的原理。

整流橋防反接電路優缺點分析

該電路不再對電源的極性有要求，實現了電源的任意接法，這時大的優點。但缺點是，因為二極管的正向壓降，不適用于低電壓的電路，而且過電流能力較差。

5.電源防反接技術總結

上邊介紹的幾種方案都跟二極管有關系，都是利用了二極管的單向導電特性，但是受限于二極管的正向電流和正向導通壓降，不適用于大電流應用和電壓較低的應用。