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Back to top反向電流保護
現代的電源系統中經常將MOSFET作為開關使用，但MOSFET本體二極體的存在，導致MOSFET處於關閉狀態時，不能防止反向電流，若電路沒有適當保護措施將導致額外能量損耗。本文將討論常見的反向電流保護方式並比較差異，讓使用者能根據不同的電路需求找到合適的保護方案。
1. 緒論
- 反向電流
當系統的電流方向與正常工作時的方向相反，就稱為反向電流，如圖 1所標示的電流方向即為經由MOSFET本體二極體流動的反向電流，其產生原因包括了電池反接、多路複用、汽車起動等等情形。舉例來說，在電池的應用系統中，若電池正負反接會產生反向電流。
2. 保護方式
反向電流會對電路中的敏感元件造成損壞，如低耐壓電容、LED。為了避免造成損害，需要減少反向電流，甚至阻斷，以下介紹減少反向電流的防護方式。
- 二極體
使用二極體作為反向電流保護是一種非常簡單且可靠的解決方案，成本低，易於集成，如圖 2所示。非常適合於高壓、低電流的環境。使用電池的應用系統中，二極體的正向壓降將縮短電池使用壽命、降低轉換效率。
舉例來說，傳統二極體的兩端電壓壓降為0.7V，若系統電流為5A，二極體本身將產生0.7V×5A=3.5W的損耗。為了降低二極體帶來的損耗及壓降問題，可以改用壓降較小的蕭基特二極體，不過成本較高且具有更大的反向漏電流。
- 背對背MOSFET
功率MOSFET在電路應用中常作為開關元件使用，但單一個功率MOSFET源極與汲極之間的本體二極體在反向電流衝擊時無法防護，因此串聯一個汲極與源極方向與之相反的功率MOSFET針對反向電流做防護，如圖 3所示。
此方式有較低正向導通電壓與高電流的特性，相對於二極體更符合於低功率損耗的需求，但所佔用的電路板面積較大。
3. 延伸應用
- 負載開關
負載開關的功用於開啟和關閉電源的電子繼電器，常見的腳位有輸入電壓、輸出電壓、遠端控制信號和接地端。圖 4呈現了一個具有阻斷反向電流功能的負載開關，其內部電路就是透過MOSFET或二極體來達到反向電流保護。
- 電子保險絲
電子保險絲是從傳統的溫度保險絲延伸出來的新型保險絲，如圖 5所示，其原理是供給負載的電流將流經 MOSFET 與感測電阻，透過感測電阻上的電壓監測，當感測電阻兩端壓差超過預設值時，控制邏輯會關閉MOSFET，以達到保護功能。具有反向電流保護的電子保險絲內部大多使用串聯MOSFET的方式達到保護功能，如圖 6所示。
4. 電池開關電路實驗
常見的反向電流防護是由二極體、MOSFET延伸出來，以二極體與MOSFET作為實驗對象，使用簡單的電池開關電路觀察反向電流發生時的電壓電流，元件規格如圖 7所示。
- 無外加措施
電路架構如圖 8所示，電源端為反向的6V電池，MOSFET狀態為關閉，圖 9中的CH1為輸入電壓，CH2為輸出電壓，CH3為反向電流，輸出電壓因為MOSFET的本體二極體下降0.78V，且電流為-344mA，約略等於5.4V/15Ω之值，近似於正常工作時的電流大小。可見開關電路沒有保護措施將無法抑制反向電流，在更高電壓電流的系統中將產生更大的危害。
- 二極體
在圖 8電路的基礎下，串聯二極體如圖 10所示，圖 11是電壓電流量測結果，其中CH1為輸入電壓，CH2為輸出電壓，CH3為反向電流，從圖中可以看到反向電流被有效抑制僅有-1.87mA。使用二極體雖然可以抑制反向電流，但在正常工作時卻會受障壁電壓影響，降低輸出電壓大小，同時縮短電池的使用壽命。
- 二極體
在圖 8電路的基礎下，串聯二極體如圖 10所示，圖 11是電壓電流量測結果，其中CH1為輸入電壓，CH2為輸出電壓，CH3為反向電流，從圖中可以看到反向電流被有效抑制僅有-1.87mA。使用二極體雖然可以抑制反向電流，但在正常工作時卻會受障壁電壓影響，降低輸出電壓大小，同時縮短電池的使用壽命。
數據整理以下
表 1 。| 無保護 | 二極體 | 背對背MOSFET | |
| 輸入電壓 | -6.18V | -6.42V | -6.40V |
| 輸出電壓 | -5.40V | -804uV | -696uV |
| 系統電流 | -344mA | -1.87mA | -1.54mA |
5. 多路複用電路實驗
在多路複用的情況下，若電路沒有反向電流保護將導致電流回流至電源造成傷害，電路與元件規格如圖 14，以下以二極體與MOSFET作為實驗對象，觀察使用不同元件在反向電流發生時的電壓電流變化。
- 無外加措施
電路架構如圖 15所示，Vin1的MOSFET開關導通，Vin2的MOSFET開關關閉，圖 16圖 15中的CH1為負載端電壓，CH2為Vin2電壓，CH4為Vin2的電流，可以發現Vin2的電壓由5V上升至11.4V，這是由於Vin1的電流經下方MOSFET回流至Vin2導致，由圖 16的CH4可以看到Vin2的電流為-32.8mA。可見在沒有保護措施的情況下，反向電流將衝擊低壓電源。
- 二極體
在圖 15電路的基礎下，兩個MOSFET皆串聯二極體如圖 17所示，圖 18是電壓電流量測結果，其中CH1為負載端電壓，CH2為Vin2電壓，CH3為Vin2的電流，從圖中可以看到反向電流被有效抑制。
- 背對背MOSFET
圖 19是把二極體替換成背對背連結的N-MOSFET的電路示意圖，電壓電流量測結果如圖 20所示，其中CH1為負載端電壓，CH2為Vin2電壓，CH4為Vin2的電流，從圖中可以發現反向電流被有效抑制。
數據整理如表2。
| 無保護 | 二極體 | N-MOSFET | |
| 負載電壓 | 12.2V | 11.4V | 12.1V |
| Vin2電壓 | 11.1V | 5.07V | 5.07V |
| Vin2電流 | -32.8mA | 782uA | 652uA |
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Vin2電流 |
-32.8mA |
782uA |
652uA |
上述兩種電路比較二極體與背對背MOSFET反向電流保護的效果，二極體提供最簡單的保護方式，但二極體的大正向壓降會增加損耗且有發熱的問題；MOSFET由於其低正向電壓和高電流處理能力，相對於二極體，比較適合使用在需要低功率損耗的場合，缺點是占用面積大。
結論
本文比較兩種MOSFET開關電路的應用情形，在無外加措施時電路都受到反向電流的危害；外加的兩種元件對於反向電流都起到顯著的保護作用，差別在於二極體有較大的正向壓降，比較不適合使用在電池系統中；背靠背MOSFET正向壓降較小卻需要克服占用面積的問題。鑑於反向電流保護的重要性，市面上許多電力電子產品如電子保險絲、負載開關等等，都會將這項功能整合，讓使用者無需再外加元件，即能滿足保護需求。
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