防止輸入電壓反極性的保護電路

大多數的電源轉換器不能承受輸入電壓極性反接，如果不加以保護的話，高短路電流將會燒毀電路板上的元件，因此輸入電壓極性反接的情況在許多應用中都是一個危險事件，包括電動車和手機內輔助電池。本文將簡要介紹一些保護電源轉換器較不會受到輸入電壓反接的影響，以保護整體系統。

 

緒論

操作人員的安全性與運轉中的工業設備息息相關時，例如鍋爐的控制系統、電動水壓泵與雲端伺服器，意味著反向輸入電壓保護對於直流轉直流電源轉換器至關重要，其有助於保護系統以減少外在因素造成的損壞。為了更好地理解反極性，發生原因主要是電源線連接不正確、系統遇到負極瞬態電壓、PCB上元件的錯誤放置或使用者對電子設備處理不當。

事先觀察出反極性的跡象就可以避免電性危險以及幫助制定有效的保護措施，反極性問題發生前的現象包括:

• 異常運轉

電子設備可能會表現出不穩定特性，例如發生異音或運轉速度忽快忽慢，甚至故障。

• 元件溫度過高

極性相反容易產生大短路電流而導致部分元件過熱，可能會燒斷保險絲並燒毀敏感性元件例如電晶體，造成永久損壞。

• 火花

大型機具設備在長時間運轉過程中，電源端出現大負瞬態電壓，此時設備周圍會冒出一些微火花，甚至極有可能會發生火災或爆炸的情況。

設計者必須盡力防止反極性問題，目前有許多解決方法可以做到這一點而每一種方法都有其優缺點，需要得出適合的方法於不同應用中。電源轉換器於設計階段需考慮輸入電壓反向接的情況發生，事先設計多種對策方案以利操作者選擇，並了解各種方式利弊，可以降低操作的危險性。

 

反極性保護電路

下述三種電路均可以幫助使用者保護電源轉換器免受反極性的影響。

         1. 串聯二極體

此方法通常用在低輸入電流應用。優點包括架構簡單、快速關斷和成本較低，但隨著輸入電流增加，功率消耗會更大，累積的熱量也會越多，因此需要加強熱管理來傳導熱量。若正確連接電源極性時，輸入電流會流入電源轉換器，如圖1(a)；否則當輸入電壓極性反接時，二極體將阻止電流流過，從而保護電源轉換器，如圖1(b)。

 

 

         2. 並聯瞬態電壓抑制器

此保護電路是基於在電路和負載之間連接保險絲，再與電源並聯瞬態電壓抑制器。依照應用需求來選擇瞬態電壓抑制器的峰值脈衝電流(Peak Pulse Current)和反向最大工作電壓(Reverse Working Maximum Voltage)，其優點包括幾乎不會造成電壓降、低漏電流並且當輸入電壓反接時，若通過保險絲的電流高於最大容許值，會立刻熔斷。此方式雖然電路架構簡單，但往往二極體與保險絲可能不會同時燒毀，以導致電源轉換器會短暫時間出現反向偏置，這是必須考慮的。

 

         3. MOSFET

電阻上的功率消耗和二極體的壓降問題是正常運作下自然產生的，而為了實現低電壓醬和高電流驅動能力，用N-MOSFET或P-MOSFET取代二極體是較佳的選擇，如圖3所示。與串聯二極體的方式相似，但此方式的MOSFET是開關元件，所以消耗功率和電壓降非常低。

若使用P-MOSFET電晶體來實現該電路，相同地只要稍微改變電路也可以使用N-MOSFET電晶體，使用者可以將輸入電壓源接到汲極，電源轉換器接到源極而閘極端接地。如果輸入電壓低於電晶體最大閘極-源極電壓(Vgs)，則透過P-MOSFET傳輸至電源轉換器；為了避免使用反極性高電壓損壞P-MOSFET，必須加上齊納二極體和電阻器來箝住閘極-源極電壓。

 

 

             

 

在正常偏壓期間，電晶體內部的二極體處於正向偏壓狀態，允許電流流入電源轉換器；當反極性偏壓時，電晶體內部改處於逆向偏壓，導致電晶體保持截止狀態。為了防止高突波電壓損壞電晶體，因而加限流電阻與齊納二極體。但是齊納二極體跟限流電阻會形成漏電流路徑，儘管技術在效率方面取得了進步，但處於待機狀態的元件仍然會流過大量漏電流。

設計上，需要牢記重要一點是P-MOSFET的導通電阻，此電阻越低，源極-汲極的壓降就越低。另外選擇稍微大一點的限流電阻，也可以減少待機電流，但會加長電晶體導通時間與關閉時間和降低箝位性能。

 

結論

本文提到反極性保護電路可以由二極體或瞬態電壓抑制器或MOSFET組成，每種電路都有不同的優點和缺點。 使用者可以根據輸入電壓、轉換效率和功率需求選擇最合適的保護電路，例如二極體易受到順向電流和導通電壓降的限制而不適合大輸入電流應用；瞬態電壓抑制器具有低漏電流的特性但要注意峰值脈衝電流值和保險絲電流，MOSFET幾乎帶來無電壓降和低電晶體瞬態時間。

 

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