如何实现逆电池保护电路的设计

21世纪属于由电池驱动的便携式设备。从智能手机、笔记本电脑到智能家居和办公用品，这些新型电子设备体积小巧，功耗更高，具有多种功能，可以通过电池供电。这些电子器件通常有像二极管、晶体管、电容器或集成电路这样的组件，这些组件嵌入在它们里面，在本质上是极化的。所以这些器件的电子线路基本上必须提供直流电源是一个特定的极性。

任何电池都有两个端子——阳极和阴极，电流总是从阳极流向阴极。实际上，电子是从阴极流向阳极的。但是为了保持电流的定义不受载流子的影响，常规电流的方向一般是从阳极或正极到阴极或负极。

许多器件由于对电源的要求是一个特定的极性，有一个机械组装或电池设计的方式，电池可以附加在一个特定的极性只。但并不是所有的设备都是这样。有很多设备使用普通电池运行，电子设备的机械组装只有指示器或指令以特定的方式连接电池。尽管如此，由于人为错误，电池仍然可以以任何一种方式与电路连接。

如果电池以反向极性连接到设备上，可能会对电池以及电子设备本身造成严重损害。这种情况并不少见。由于反向连接，极化元件由于通过它们的反向电压而开始冲击，并且器件可能会永久损坏。反向极性也会影响电池，反向连接可能会引爆电池，或者有可能在反向极性连接到电路后，电池可能不再充电。

为了节省电池和电子设备的寿命，通常明智的做法是在电池之后或任何电子设备的内部电路之前使用反向电池保护电路。还可以在设备电路的电源输入端加入反向电池保护电路。逆向电池保护电路也节省了电子电路的任何回流从电池。

反向电池保护电路可以建立使用二极管，MOSFET 或 BJT。在本教程中，逆向电池保护电路从这些组成部分将设计和测试的功率效率与不同的负载。实验中不采用实际电路作为负载，而是采用不同的电阻作为负载。为了测试保护电路的功率效率，测量了保护电路上的电压降和负载上的电流。

保护电路也会消耗电池的电量，从而导致电量的损耗。因此，保护电路应该消耗最小的功率，以便在负载时输出最大功率。提供给负载的功率与负载电路上可用的电压成正比。这是保护电路中电压降之后的剩余电压，因此通过保护电路的电压降将被测量。通过保护电路的电压降应该是最小的。其次，通过负载电路的电流将被测量，这将表明负载电路的实际可用功率。负载电路输出的电流越多，消耗的电能就越多。

所需组件

图1： 逆向电池保护所需元件清单

以下是电池保护电路的设计方法

二极管

设计电池保护电路最简单的方法是使用二极管。二极管只沿一个方向传导电流，并因反向极性而断开。因此，如果一个二极管串联在电池和负载电路之间，它将只允许一个极性的电流传导。只有当电池的阳极连接到二极管的阳极时，二极管才会得到正向偏置并允许负载电路中的电流流动。如果将电池的阴极连接到二极管的阳极上，二极管就会产生反向偏置，从而阻止负载电路中电流的传导。这将节省负载或任何设备是连接到电池。因此，应该连接二极管，使二极管的阴极连接在负载电路上，电池连接器连接到二极管的阳极上。该1n4007二极管可用于反向电池保护。1n4007二极管的电压降约为0.7 v，最大正向电流为1a。

图2： 基于 in4007的反向蓄电池保护电路图

实验采用3.7 v 的锂离子电池，可提供3.3 v 的电源电压。一个1n4007二极管串联连接到电池，使电池的阳极连接到二极管的阳极。不同的负载电阻通过开关连接到蓄电池和二极管电路，电路连接通过公共接地连接到蓄电池的阴极完成。

图3： 基于二极管反向极性保护的原理样机

因此，输入电压，Vin = 3.3 v，在测量电压降跨越二极管和电流跨越负载电阻单独，以下结果被发现-

图4： 表列出1n4007二极管上的电压降和不同负载下的负载电流

从上述结果可以分析，二极管采取更多的电压降，它作为电流需求在输出负载增加。为了降低电压降，可以使用肖特基二极管，与1n4007二极管相比，其正向电压降更小。

图5： 基于1n5819的反向蓄电池保护电路图

如果在电路中用1n5819肖特基二极管代替1n4007二极管，可以得到以下结果：

输入电压，Vin = 3.3 v

图6： 表列出1n5819二极管上的电压降和不同负载下的负载电流

从上述结果可以分析出，随着输出负载电流需求的增加，1n5819二极管将承受更大的电压降。但肖特基二极管的正向电压降比1n4007低。

使用二极管电路的缺点

二极管的电压下降，因此整体功耗增加。可以说，二极管浪费了一部分功率。

二极管的使用限制了负载可以产生的最大输出电流。例如，1n4007和1n5819允许的最大正向电流仅为1a。

解决方案

•具有较小正向压降的肖特基二极管也可以用来代替普通的二极管。可以根据负载要求的最大电流选择二极管。晶体管可以代替二极管，因为晶体管也可以用于开关应用，它们具有较小的电压降，并且可以处理高负载。

设计保护电路的第三种方法是使用 n 沟道 MOSFET。当栅极端子处有正电压时，NMOS 导电。否则，NMOS 仍处于开路状态。在 MOSFET 中，存在一个本征体二极管，当它正向偏置时，它就导电。因此，NMOS 可以作为开关晶体管，用于制作反向电池保护电路。NMOS 通常具有较小的 ON 电阻（rDS）。因此，它在全导电状态下的电压降较小。与二极管或 BJT 相比，N-MOSFET 也可以处理高负载。

注意： 电路图可以在“电路图”标签下找到。

因此，当电池正确连接，然后 MOSFET 得到打开。在反向电池的栅极端子是低，关闭 MOSFET 和负载是断开从电池。

图7： 在试验板上使用 n MOSFET 的反极性保护电路原型

实验采用3.7 v 的锂离子电池，可提供3.3 v 的电源电压。一个 BS170 NMOS 用于反向电池保护。负载电阻通过 NMOS 的栅极端子和漏极端子之间的开关连接。电池连接到 NMOS 的栅极端子和源极端子上。只有当电池的阳极连接到 NMOS 的基座时，NMOS 才导电。如果电池的阴极连接到 NMOS 的基座上，NMOS 将处于关闭状态，从而切断负载的电源电压。

因此，输入电压 Vin = 3.3 v，在测量电压降跨越晶体管和电流跨越负载电阻单独，以下结果被发现-

图8： 表格列出了不同负载的 Vds 和加载电流

使用 nMOSFET 的缺点

• MOSFET 需要超过阈值电平的栅极电压才能启动。这意味着它们只对那些能够提供高于阈值电压的电池有效。例如，bs170在 Gate 上至少需要0.8 v 电压才能启动。

解决方案

阈值栅电压较低的 mosfet 可用于低容量电池。

使用 NPN BJT （双极性晶体管）-BC547

设计反向极性保护电路的另一种方法是使用 BJT 晶体管。在反向电池保护电路中，BJT 可用作开关晶体管。NPN BJT 有较高的贝塔值（电流增益） ，这就是为什么它们可以在低基极电流下工作。这样可以减少功率损耗。而且，它们的电压降更小。

在实验过程中，采用 bc547作为逆向电池的保护电路。晶体管连接在电路中，负载电路连接在晶体管的基极和集电极之间，电池连接在晶体管的基极和发射极上。晶体管的基极使用上拉电阻，这样基极就可以有适当的偏置。当电池连接在一起，使得电池的阳极连接到晶体管的基极时，基极处的正向电压将晶体管开关为 ON 状态，电流开始从集电极流向发射极。

这样电路就完成了，负载就得到了输入电源。当电池的阴极连接到晶体管的基极时，晶体管的基极不偏置，晶体管开关处于关闭状态。在晶体管的集电极和发射极之间没有电流流动，负载电路就打开了。这将使负载/设备不受反向电流的影响。

图9： 电路板上采用双极性晶体管的反向极性保护电路原型

实验采用3.7 v 的锂离子电池，可提供3.3 v 的电源电压。一 bc547晶体管连接，使得负载电阻连接在晶体管的基极和集电极之间，电池连接器连接在晶体管的基极和发射极之间。

因此，输入电压 Vin = 3.3 v，在测量电压降跨越晶体管和电流跨越负载电阻单独，以下结果被发现-

图10： 表列不同负载的 Vce 和负载电流

从上述结果可以分析，bc547需要更多的电压下降，作为电流需求增加，在输出。但是整个 BJT 的电压降远小于二极管和 MOSFET。因此，BJT 作为反向电池保护电路的工作性能优于 MOSFET 和二极管。

使用 bc547的缺点

•电路的设计应保持基极电流，使其能够以最小的功率损耗驱动高负载。这是因为，集电极电流取决于基极电流。

• bc547允许通过集电极的最大电流为100ma。这就限制了负载可以产生的最大电流。

解决方案

•在某些情况下，类似2n2222a 的 BJT 可以用来解决电流限制问题。2N2222A 允许最大电流为1a。

• MOSFET 可以代替 BJT，因为与 BJT 相比，MOSFET 具有较低的导通电阻，并且可以处理高负载。但是，由于 MOSFET 具有比 BJT 更高的功率损耗，因此使用 MOSFET 时必须考虑功率损耗的影响。

结语

在比较了二极管、 BJT 和 MOSFET 作为反向电池保护电路的使用情况后，得出的结果总结如下表-

图11： 表列二极管、 NPN BJT 和 N-MOSFET 反向电池保护特性

由此可见，在使用二极管、 NMOS 和 BJT 进行反向电池保护时，BJT 的功率效率最高，但存在电流限制。或者，NMOS 也可以使用，但是存在阈值电压问题。因此，对于电流要求较低的负载电路，最好使用 BJT。如果负载电路的电流要求很高，并且工作在大功率上，推荐使用 NMOS。对于不存在电压降或电流需求问题的低成本电路，可以使用二极管。

审核编辑：郭婷