一种充电器用防反接与防倒灌保护电路

林为

佛山职业技术学院广东佛山，528137

摘要：对于直流供电的电子产品或电路，电源极性接反可能造成零件损坏等严重后果；对电池充电系统而言，电池反接可能损坏充电电路及电池，甚至引起电池爆炸，同时还应设计防倒灌保护。本文分析了常见防反接保护电路的优缺点，MOS管防反接电路在电池充电系统存在的特殊问题，提出一种改进型防电池反接和防倒灌保护电路。该电路具有简单可靠，成本低等优点，可用于各类充电器产品。

Abstract: Power polarity reversed may cause components damaged for DC-powered products or circuits. For batter chargers, batter polarity inversion may cause charger and battery damaged or even explosion, inverted irrigation protection is also needed. This text summarizes common-used polarity inversion protection circuits. Based on some defects for MOSFET polarity inversion protection circuit in batter chargers, a improved polarity inversion and inverted irrigation protection circuit is proposed., which is simple, stable, low-cost, and can be used in all kinks of chargers.

关键字：防反接；防倒灌；MOS管；充电器

Key words：polarity inversion protection; inverted irrigation protection；MOSFET; battery charger

一、引言

一个可靠的电子产品或系统，必须设计有完整的保护电路，应对使用过程中可能遭遇的各种情况，如过载、负载短路、过压、欠压以及各种电磁骚扰（例如静电放电）等，确保产品安全可靠地工作。对于使用直流电源供电的电子产品或电路，电源的极性接反，可能造成零件损坏、系统失灵等严重后果。很多产品（如逆变器等）常在直流输入侧并联电解电容，若输入电源正负极接反，则电解电容极易损毁，造成不可自行恢复的损坏。实际应用中，人为将光伏组件正负极错误接入设备的情况难以避免，因此，光伏系统相关设备中一般都设计有防反接电路^[1]。

防止电源反接的思路，是在电源输入和负载（电子电路或设备）之间增设一个开关，如图1所示。当直流电源正确接入（极性正确）时，开关K接通，反之开关K关断，保护后面的负载免遭损坏。

另一种需要防反接保护的情形是电池充电系统。这种情况下，充电器提供直流电源，图1的负载便是各种类型的电池。充电器不仅要提供电池充电过程所需的电流、电压及持续时间，还需具备防止电池反接和短路的保护功能，因为，电池反接极有可能损坏充电电路以及电池，甚至导致电池的爆炸。同时，在以电池作为负载的电路中，如果没有防倒灌电路，当输入电源消失时，电池会反过来给充电管理电路供电，这样不仅白白浪费电池的电量，在某些场合（尤其是大电流的充电设备），电池倒灌甚至会对充电电路造成永久性损坏。因此防倒灌保护电路在充电管理电路中也是非常重要的。

图1 防止电源反接示意图图2采用MOS管的防反接保护电路图

二．常见的防电源反接电路概述^[2]

1、二极管防反接保护电路

将图1的开关K改为二极管（即在输入和负载之间串联二极管），利用二极管的单向导电性来实现防反接。众所周知，二极管导通损耗较大（尤其在低电压大电流的场合），效率低，有些场合还要加散热器，占用产品或系统空间。在电压较低的场合，采用肖特基二极管可减小损耗，但总体来说效率不高。

该方案的优点是简单，同时起到输入防反接和负载（电池）防倒灌的作用。

2、整流桥防反接电路

将图1的开关K改为整流桥，可以起到自动极性转换的作用，不管输入电源正接反接，输出到负载的电源永远有正确的极性，因此可以起到输入防反接和负载（电池）防倒灌的作用。其缺点是显而易见的，损耗是采用单个二极管的两倍。

3、MOS管防反接电路

采用MOS管作为开关器件，可有效克服二极管压降引起的损耗问题。以N- MOS管为例说明其工作原理，如图2所示。注意MOS管的接法，其内部的体二极管正极在S负极在D，因此MOS管的S极必须在右侧。电源正确接入时，电流经过电阻R1、R2和MOS管的体二极管流回电源负极形成回路，Vgs获得正偏压，MOS管饱和导通，输入电源通过MOS管给负载供电；当输入电源极性接反时，MOS管的体二极管反向截止， Vgs=0，MOS管截止，负载端无电压，所以起到防反接作用。

导通时MOS管的Rds很小，以IRFR1205为例，在Vds=55V，Id=44A的条件下，其Rds=0.027Ω（27mΩ）^[3]，实际损耗很小，解决了二极管防反接方案存在的压降和功耗过大的问题。电路中，稳压管D和R1和R2配合，防止栅源电压过高击穿MOS管。

图2的MOS管防反接方案的损耗小，开关速度快，所占空间小，能满足大部分应用场合的需求，是目前主流的防止电源反接保护方案。

4、继电器防反接电路

图1中，以继电器替代开关K，就形成了继电器防反接电路，如图3(a)所示。继电器开关NO能否接通，取决于输入电源极性是否正确。极性正确时，电源正极通过D1给继电器线圈供电，NO闭合，向负载正常供电；极性接反时，由于D1的作用继电器线圈没有电流流过，NO断开，负载没有电压，从而起到反接保护作用。

(a)继电器防反接（输入电源） (b)继电器防反接（充电电路）

图3 采用继电器的防反接电路

同样道理，继电器也可用于防止充电系统中电池反接，如图3(b)所示，原理不再赘述。

继电器防反接方案的优点是损耗小，尤其是当充电器的输出电流较大时（例如20A及以上），缺点是体积较大，因为有开关触点，反应速度慢，寿命短可靠性不高。该电路中，当输入电压消失时，电池电压维持NO闭合，因此无法起到防倒灌作用。

5、专用IC防反接电路

随着半导体器件在各领域应用的不断拓展，已经出现专门用于防止电源反接的专用集成电路，并且提供过压和欠压的保护。凌力尔特公司（Linear Technology Corporation）推出的LTC4365就是一个例子，其典型的应用电路可参考该IC的datasheet或相关文献^[4]。

这类IC的有点是功能多（电源管理），可以简化电路设计，但对于一般的消费电子产品应用来说，成本较高。

三、总结与思考

总结上述五种电源防反接方案，可以发现：

（1）防反接功能依靠输入和负载之间的开关来实现，这个开关可以是二极管（利用其单向导电特征），也可以是有源器件（继电器、MOS管或专用IC）。

（2）针对输入的防反接和针对负载的防反接，其电路结构完全不同，不能共用（参考图3）。当然，就实际应用来说，输入电源和负载，通常一侧是固定不变的，只有其中一侧可能被接反，因此不存在输入和负载同时需要防反接的情况。不难理解，使用有源器件作为开关时，针对输入的防反接必须用输入电压来控制，针对负载（充电电池）防反接必须用电池电压来控制，这是设计防反接保护电路的基本准则。

（3）MOS管防反接方案（图2）是目前主流的防止电源反接保护方案。但是，这种方案如果用在充电系统，即负载为电池的情况，存在两个重大缺陷：其一，当充电器上电后，MOS管就一直导通，此时再接入电池并且不慎接反电池的话，输入电流反方向流过电池，可能引发大电流并损坏电池或充电器。其二，就算电池连接正确，输入断电时，由于电池电压一直存在，MOS管维持导通，无法实现防倒灌功能。

四、一种充电器用防反接防倒灌保护电路

如图4所示，充电器对电池进行充电。Q3起到图2中MOS管的作用，跟图2相比，增加了三极管Q1、Q2和运放U1及其周边电路。原理说明如下：

图4 充电器用防反接防倒灌保护电路

（1）增加PNP三极管Q1作为辅助开关，只有电池有电压且以正确的极性接入时，Q1 BE极正偏导通，从而导致Q3（N-MOS管）导通，电池才能正常充电。此时充电电流从右到左流过Q3，U1及其周边零件组成的电流检测电路输出低电平，Q2截止。

当电池接反时，Q1因BE极反偏而截止，从而Q3截止，起到了防止电池反接的作用。

换句话说，Q1和Q3导通靠的是电池电压来触发，如果电池接反了，它们无法导通，从而切断输入和电池之间的电流通道。

（2）当输入电压（充电器）断电时，由于电池电压的存在，Q1、Q3维持导通，电池试图通过输入端倒灌，此时U1输出高电平，Q2导通，关断Q3，从而起到了防倒灌作用。

该电路已在多款充电器产品中应用，防电池反接和防倒灌效果良好。

四、结语

在常见的电源防反接保护电路中，MOS管防反接保护方案具有损耗小，开关速度快，稳定可靠，占用空间小，是目前主流的防止电源反接保护方案。然而在充电器产品或系统中，由于输入和负载都属于电源，单纯的MOS管防反接保护并不能有效防止电池反接带来的损害，为此，本文提出了一种改进型MOS管防反接和防倒灌电路，利用电池电压控制MOS管的导通截止，同时利用运放构成检测电路，既可以有效防止电池反接，又能防止电池倒灌，具有简单可靠、成本低等优点，可用于各类充电器产品。

参考文献：

[1] 岳艳王志鹏，光伏并网逆变器输入反接保护设计，电子设计工程，2015年15期，P42-43，P46

[2] 聂剑，一种防反接和软启动保护电路，电子产品世界，2015年2-3月合刊，P56-59

[3] International Rectifier. IRFR1205 Datasheet [EB/OL]. http://www.irf.com/ product-info/datasheets/data/ IRFR1205.pdf