一種充電器用防反接與防倒灌保護電路

林 為

（佛山職業技術學院，廣東 佛山 528137）

0 引 言

一個可靠的電子產品或系統，必須設計完整的保護電路，應對使用過程中可能遭遇的各種情況，如過載、負載短路、過壓、欠壓以及各種電磁騷擾（如靜電放電）等，確保產品安全可靠地工作。對于使用直流電源供電的電子產品或電路，電源的極性接反可能造成零件損壞、系統失靈等嚴重后果。很多產品（如逆變器等）常在直流輸入側并聯電解電容，若輸入電源正負極接反，則電解電容極易損毀，造成不可自行恢復的損壞。實際應用中，人為將光伏組件正負極錯誤接入設備的情況難以避免，因此光伏系統相關設備中一般都設計有防反接電路[1]。

防止電源反接的思路是在電源輸入和負載（電子電路或設備）之間增設一個開關，如圖1所示。當直流電源正確接入（極性正確）時，開關K接通；反之，開關K關斷，保護后面的負載免遭損壞。

另一種需要防反接保護的情形是電池充電系統。這種情況下，充電器提供直流電源，圖1的負載便是各種類型的電池。充電器不僅要提供電池充電過程所需的電流、電壓及持續時間，還需具備防止電池反接和短路的保護功能。因為電池反接極有可能損壞充電電路和電池，甚至導致電池的爆炸。同時，在以電池作為負載的電路中如果沒有防倒灌電路，當輸入電源消失時，電池會反過來給充電管理電路供電。這樣不僅白白浪費電池的電量，而且在某些場合（尤其是大電流的充電設備）電池倒灌甚至會對充電電路造成永久性損壞。因此，防倒灌保護電路在充電管理電路中也非常重要。

圖1 防止電源反接示意圖

1 常見的防電源反接電路概述

1.1 二極管防反接保護電路

將圖1的開關K改為二極管（即在輸入和負載之間串聯二極管），利用二極管的單向導電性來實現防反接[2]。眾所周知，二極管導通損耗較大（尤其在低電壓大電流的場合），效率低，有些場合還要加散熱器，占用產品或系統空間。在電壓較低的場合，采用肖特基二極管可減小損耗，但總體效率不高。該方案的優點是簡單，同時可以起到輸入防反接和負載（電池）防倒灌的作用。

1.2 整流橋防反接電路

將圖1的開關K改為整流橋，可以起到自動極性轉換的作用。不管輸入電源正接反接，輸出到負載的電源永遠有正確的極性，因此可以起到輸入防反接和負載（電池）防倒灌的作用。但是，它的缺點顯而易見，即損耗是采用單個二極管的2倍。

1.3 MOS管防反接電路

采用MOS管作為開關器件，可有效克服二極管壓降引起的損耗問題。以N-MOS管為例說明其工作原理，如圖2所示。注意MOS管的接法，其內部的體二極管正極在S負極在D，因此MOS管的S極必須在右側。電源正確接入時，電流經過電阻R1、R2和MOS管的體二極管流回電源負極形成回路，Vgs獲得正偏壓，MOS管飽和導通，輸入電源通過MOS管給負載供電；當輸入電源極性接反時，MOS管的體二極管反向截止，Vgs=0，MOS管截止，負載端無電壓，起到防反接作用。

圖2 采用MOS管的防反接保護電路圖

導通時，MOS管的Rds很小。以IRFR1205為例，在Vds=55 V、Id=44 A的條件下，其Rds=0.027 Ω（27 mΩ）[3]，實際損耗很小，解決了二極管防反接方案存在的壓降和功耗過大問題。電路中，穩壓管D和R1、R2配合，防止柵源電壓過高擊穿MOS管。

圖2的MOS管防反接方案的損耗小、開關速度快、所占空間小，能滿足大部分應用場合的需求，是目前主流的防止電源反接保護方案。

1.4 繼電器防反接電路

圖1中，以繼電器替代開關K，就形成了繼電器防反接電路，如圖3（a）所示。繼電器開關NO能否接通，取決于輸入電源極性是否正確。極性正確時，電源正極通過D1給繼電器線圈供電，NO閉合，向負載正常供電；極性接反時，由于D1的作用繼電器線圈沒有電流流過，NO斷開，負載沒有電壓，從而起到反接保護作用。同樣地，繼電器也可用于防止充電系統中電池反接，如圖3（b）所示，原理不再贅述。

圖3 采用繼電器的防反接電路

繼電器防反接方案的優點是損耗小，尤其是當充電器的輸出電流較大時（如20 A及以上），缺點是體積較大，因為有開關觸點，反應速度慢，壽命短可靠性不高。該電路中，當輸入電壓消失時，電池電壓維持NO閉合，因此無法起到防倒灌作用。

1.5 專用IC防反接電路

隨著半導體器件在各領域應用的不斷拓展，已出現專門用于防止電源反接的專用集成電路，且提供過壓和欠壓保護。凌力爾特公司（Linear Technology Corporation）推出的LTC4365就是一個例子，其典型的應用電路可參考該IC的datasheet和文獻[4]。這類IC的優點是功能多（電源管理），可以簡化電路設計，但對于一般的消費電子產品應用成本較高。

2 總結與思考

總結上述五種電源防反接方案，可以發現：

（1）防反接功能依靠輸入和負載之間的開關實現，這個開關可以是二極管（利用其單向導電特征），也可以是有源器件（繼電器、MOS管或專用IC）。

（2）針對輸入的防反接和針對負載的防反接，其電路結構完全不同，不能共用（參考圖3）。實際應用中，輸入電源和負載通常一側是固定不變的，只有其中一側可能被接反，因此不存在輸入和負載同時需要防反接的情況。不難理解，使用有源器件作為開關時，針對輸入的防反接必須用輸入電壓來控制，針對負載（充電電池）防反接必須用電池電壓來控制，這是設計防反接保護電路的基本準則。

（3）MOS管防反接方案（圖2）是目前主流的防止電源反接保護方案。但是，這種方案如果用在充電系統，即負載為電池的情況，存在兩個重大缺陷。第一，當充電器上電后，MOS管一直導通，此時再接入電池且不慎接反電池時，輸入電流將反方向流過電池，可能引發大電流并損壞電池或充電器。第二，電池連接正確，輸入斷電時，由于電池電壓一直存在，MOS管維持導通，將無法實現防倒灌功能。

3 一種充電器用防反接防倒灌保護電路

如圖4所示，充電器對電池進行充電，Q3起到圖2中MOS管的作用。與圖2相比，這里增加了三極管Q1、Q2和運放U1及其周邊電路。

（1）增加PNP三極管Q1作為輔助開關，只有電池有電壓且以正確的極性接入時，Q1BE極正偏導通，從而導致Q3（N-MOS管）導通，電池才能正常充電。此時，充電電流從右到左流過Q3，U1及其周邊零件組成的電流檢測電路輸出低電平，Q2截止。電池接反時，Q1因BE極反偏而截止，從而Q3截止，起到防止電池反接的作用。換句話說，Q1和Q3導通靠的是電池電壓來觸發，如果電池接反，它們無法導通，將切斷輸入和電池之間的電流通道。

（2）當輸入電壓（充電器）斷電時，由于電池電壓的存在，Q1、Q3維持導通，電池試圖通過輸入端倒灌。此時，U1輸出高電平，Q2導通，關斷Q3，從而起到防倒灌作用。

目前，該電路已在多款充電器產品中應用，防電池反接和防倒灌效果良好。

圖4 充電器用防反接防倒灌保護電路

4 結 論

在常見的電源防反接保護電路中，MOS管防反接保護方案具有損耗小、開關速度快、穩定可靠、占用空間小等優點，是目前主流的防止電源反接保護方案。然而，在充電器產品或系統中，由于輸入和負載都屬于電源，單純的MOS管防反接保護并不能有效防止電池反接帶來的損害。為此，本文提出了一種改進型MOS管防反接保護電路，利用電池電壓控制MOS管的導通截止，同時利用運放構成檢測電路，既可以有效防止電池反接，又能防止電池倒灌，具有簡單可靠、成本低等優點，可用于各類充電器產品。