保护你的系统不受反向电流的影响

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    在使用电子元器件时,你有时候不可避免地会闻到明显是芯片烧焦的味道。这都是反向电流惹的祸。反向电流就是由于出现了高反向偏置电压,系统中的电流以相反的方向运行;从输出到输入。幸运的是,有很多方法可以保护你的系统不受反向电流的影响。这是反向电流保护系列博文的第一篇文章,在这篇文章中,你将能够对现有解决方案有高层次的总体认识和了解。

 

原因

反向电流的最常见原因,即反向偏置电压,就是输出上的电压要高于输入上的电压,从而使电流在系统中的流动方向与你希望的流动方向相反。图1中显示了这个情况。

常见反向电流环路图

图1:反向电流

VIN 由于功率损耗突然变为零,使得系统输出上的电压高于输入电压,这种情况是有可能发生的。或者是电源MUXing意外地导致了一个反向电压事件。

如何防止

反向电流有可能损坏内部电路和电池等电源。事实上,甚至是电缆都有可能被损坏,连接器的性能也会被降低。这也是器件着火的原因,就是因为大电流导致功率耗散呈指数级别的上升。

保护功能需要将反向电流保持在非常低的水平上。这意味着对于反向电压的限制。有三种常用的方法可以防止反向电流:

二极管

二极管与FET相比,它的成本更低,更易于集成。它们非常适合于高压、低电流应用。然而,如果你曾经使用过二极管的话,你一定非常熟悉它所导致的正向压降较大,而这会缩短电池使用寿命,并且使VCC(通常情况下)大约下降0.6-0.8V。这个压降会降低电源电路的效率,并且增加系统的总体功率耗散。

基于这些原因,肖特基二极管是常见的替代器件;它们的正向压降更低。不过,它们也更加昂贵,且具有更高的反向电流泄露,而这会导致系统问题。图2显示的是系统中的一个用来阻断反向电流的二极管。

一种二极管组成反向电流保护图

图2:二极管反向电流保护

FET

由于其低正向电压和高电流处理能力,FET会在你必须保持较低功率耗散时提供帮助。对于一个放置在接地路径中的N类型金属氧化物半导体 (NMOS) FET来说,你使体二极管的方向与正常电流流向保持一致。通过使用这种方法,如果有人错误地安装了电池,栅极电压为低电平,这就防止了FET接通。然而,当电池安装正确时,栅极电压为高电平,它的通道短接至地。

为了在FET关闭时阻断两个方向上的电流,你还可以将FET背靠背连接。与二极管解决方案相比,电源到负载的压降更低,不过这种实现方式占用了大量的电路板面积。图3显示了用来阻断反向电流的背靠背FET示例。

用双FET实现的反向电流阻断的电路图

图3:用双FET实现的反向电流阻断

负载开关

负载开关是可打开和关闭电源轨的电子开关。当内部FET导通时,电流从输入流向输出,并将功率传递至下游电路。使能该器件后,可以通过调节外部引脚(CT引脚)上的电容来控制输出电压(VOUT)的上升时间(防浪涌)。

TI负载开关是用来接通和关闭电源轨的集成电子中继器。大多数基本负载开关采用小型集成封装,由四个引脚组成:输入电压、输出电压、使能、和接地,并且包含多重特性,其中有反向电流保护。图4显示了一个用来阻断反向电流的负载开关。

负载开关反向电流保护

图4:负载开关反向电流保护

例如,德州仪器 (TI) 的TPS22963 3A负载开关集成了反向电流保护以及更多其它功能,这些功能全都包含在一个1.4mm x .9mm的封装内。图5显示的是TPS22963在系统中的常见放置位置。

TPS22963负载开关

图5:TPS22963负载开关

反向电流实例

USB type-C

在USB Type-C™应用中,USB Type-C端口可以提供5 V,12 V和20 V的电源。USB还使用5和12 V电源轨为内部设备组件供电,但是它非常敏感。 外部电压干扰。 如果USB端口提供20 V电源,则应保护12 V和5 V内部电源轨免受较高输出电压引起的反向电流的影响。

USB type-C 电源总线结构

USB type-C 电源rails

FET用作电源开关:

浪涌电流控制可保护在负载附近包含大容量电容器的系统。最初给系统供电时,对这些电容器进行充电会导致较大的浪涌电流,超过额定负载电流。如果不加以解决,这可能会导致电压轨由于压降而掉落至不规范状态,从而导致系统进入不良状态。负载开关可以通过使用CT引脚管理电源轨的上升时间来减轻浪涌电流。这导致线性输出摆率,不会造成电压突降或不需要外部稳压器。

 

负载开关作用

What if VIN = 0 V? (输入电源低,快速关断)

禁用该器件时,可通过快速输出放电(QOD)控制VOUT的下降时间。每当关闭供电电源时,QOD都会将输出拉至地,以防止输出浮动或进入不确定状态。

 

多路供电系统

功率多路复用(也称为功率多路复用)是一种使用开关电路为系统选择多个电源之一并具有在它们之间进行切换的能力的实践。 图9显示了此配置。

如果其中一个电源电压高于另一个电源电压,则即使另一个电源导轨具有“断开”开关,也可能会产生反向电流。 这在使用FET切换电源的情况下发生。 在“开路” FET的输出端看到的较高电压会导致反向电流从较高电压电源流过FET体二极管,并流入较低电压电源。 图10显示了一个示例,其中将3.3 V电源轨的开关“断开”时向系统施加了5 V电压。

 

 多路供电系统逻辑图

Figure 9 多路供电系统

多路供电系统反向电流发生的原因

Figure 10反向电流产生

 

结论

有数个原因会导致反向电流,VIN的突然损耗,或者是电源MUXing中的突发事件。这会导致系统损坏,甚至会损坏电源。负载开关可以成为管理反向电流的一个尺寸、成本都很合适的解决方案。

 

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