防反接電路的用處很容易理解，實(shí)現(xiàn)也相對(duì)簡(jiǎn)單，但是防倒灌電路則可能到用到的時(shí)候才會(huì)發(fā)現(xiàn)有點(diǎn)復(fù)雜。比方說(shuō)，一個(gè)東西既支持用PD 供電輸入20V，又可以直接DC 輸入24V，USB 5V 供電時(shí)也能亮，還允許插著DC 供電的同時(shí)插著USB 線(xiàn)連接上位機(jī)，并且傳輸數(shù)據(jù)的USB 接口和PD 供電接口是同一個(gè)，這時(shí)問(wèn)題就出現(xiàn)了，DC 24V 可能會(huì)通過(guò)USB 的VBUS 直沖上位機(jī)。
最萬(wàn)無(wú)一失、最豪華的方案可能是給VBUS 上串一個(gè)隔離變壓器，先逆變?cè)僮兓谼C，這樣一來(lái)有變壓器擋著，后級(jí)電壓絕對(duì)跑不到上位機(jī)去。說(shuō)不定有些地方就是這么做的，只不過(guò)太豪華了。最貧窮的就是直接串個(gè)二極管，和最簡(jiǎn)單的防反接電路一樣，但是當(dāng)VBUS 需要在PD 模式下承擔(dān)功率時(shí)問(wèn)題就復(fù)雜了，二極管的功耗不可接受。一種方案是所謂的理想二極管，就是功能和二極管一樣，可以反向截止，實(shí)現(xiàn)防反接和防倒灌保護(hù)，又沒(méi)有二極管的正向壓降。只不過(guò)專(zhuān)用的理想二極管芯片太貴了，趕得上一片STM32，規(guī)格也太高，車(chē)規(guī)、上百伏電壓什么的。
Reverse Current Protection Using MOSFET and Comparator to Minimize Power Dissipation
使用MOSFET 和比較器實(shí)現(xiàn)反向電流保護(hù)，從而減小功耗。
反向電流的定義
反向電流是指負(fù)載端試圖將電流倒灌回電源。這種現(xiàn)象可能在電源電壓突然降低或者完全消失的時(shí)候發(fā)生，以及當(dāng)電源連接時(shí)，負(fù)載端的退耦、旁路電容或者電池也可能使電流倒灌。此外，負(fù)載端電壓可能超過(guò)電源端，這也會(huì)導(dǎo)致反向電流，比如存在感性負(fù)載導(dǎo)致的反向電壓，或者由失效的電池充電電路外泄的電壓。
注：當(dāng)然也可能出現(xiàn)在并聯(lián)多個(gè)電源的時(shí)候，一個(gè)電源往另一個(gè)電源嘴里塞
基于比較器的反向電流保護(hù)
如圖1 所示，一個(gè)比較器輸入端跨接在MOSFET 兩端，從而檢測(cè)電路中電流的方向：
注：這里NMOS 的用法和防反接電路里的PMOS 類(lèi)似，都是讓體二極管方向和電流方向相同。用前面的電荷泵實(shí)現(xiàn)NMOS 高邊驅(qū)動(dòng)
在正常的正向電流情況下，由于MOS 管的導(dǎo)通電阻R d s ( o n ) R_{ds(on)}R
ds(on)
，MOS 管的源極到漏極會(huì)存在一個(gè)輕微的壓降，使漏極電壓低于源極。比較器檢測(cè)的就是這個(gè)壓降。當(dāng)電流反向，漏極的電壓將會(huì)高于源極，比較器檢測(cè)到這種情況，然后輸出低電平，使MOS 管關(guān)斷，從而斷開(kāi)負(fù)載。
注：MOS 管具有雙向?qū)щ娦裕呀?jīng)開(kāi)啟的MOS 管上電流可以雙向流動(dòng)，和BJT 三極管不同。
MOS 管導(dǎo)通時(shí)兩端能產(chǎn)生的壓降不過(guò)數(shù)十毫伏，共地連接的比較器需要精心設(shè)計(jì)輸入電壓偏置電路，使共模輸入電壓保持在比較器的工作參數(shù)范圍內(nèi)。這個(gè)附加的偏置電路也會(huì)增加噪聲和漂移，影響對(duì)小信號(hào)的檢測(cè)。
為了消除偏置電路引入的噪聲和漂移，同時(shí)還能提供足夠的電流用來(lái)驅(qū)動(dòng)MOS 管，比較器的公共端（接地端）懸空連接到電源電壓（V B A T T V_{BATT}V
BATT
），于是輸入端和輸出端都能直接連接到MOS 管上。
注：接地端接到電源電壓，運(yùn)放的共模輸入電壓以電源正端為參考，等于給輸入加了一個(gè)負(fù)的偏置
此時(shí)要讓比較器能工作，需要給它提供高于V B A T T V_{BATT}V
BATT
的供電電壓。比較器的供電電壓（電源正端到接地端的壓差）不能太低，否則無(wú)法驅(qū)動(dòng)MOS 管使其完全導(dǎo)通，但是也不能高于MOS 管的柵極最高電壓V G S ( m a x ) V_{GS(max)}V
GS(max)
。對(duì)于大部分MOS 管，5V 是個(gè)不錯(cuò)的柵極驅(qū)動(dòng)電壓。
要生成這個(gè)高于V B A T T V_{BATT}V
BATT
的電壓用來(lái)驅(qū)動(dòng)比較器和MOS 管，這里使用了一個(gè)電荷泵。給電荷泵電路輸入一個(gè)方波信號(hào)就能輸出高于V B A T T V_{BATT}V
BATT
的DC 電壓。由于電荷泵的輸入是一個(gè)電容，也就是交流耦合的，所以允許使用一個(gè)基于地電平的振蕩器作為信號(hào)源。完整電路如下圖：
注：左邊555 輸出方波，加上D2、C2、D3、C3 就組成所謂的迪克森電荷泵。R2 和C4 是RC 濾波，Z1 用來(lái)給運(yùn)放穩(wěn)壓
比較器放在MOS 管旁邊檢測(cè)V D S V_{DS}V
DS
電壓。為了最小化V B A T T V_{BATT}V
BATT
線(xiàn)上的噪聲或瞬態(tài)影響，比較器電路懸空放在V B A T T V_{BATT}V
BATT
上。這消除了共模抑制的問(wèn)題，也不再需要一個(gè)會(huì)造成信號(hào)減速和衰減的輸入偏置電路。
注：原文這里寫(xiě)了一大段介紹電荷泵的原理，簡(jiǎn)直和寫(xiě)論文水字?jǐn)?shù)一樣~ 就不翻譯了，想知道的可以去搜個(gè)視頻講解看看，絕對(duì)比干看文字舒服
比較器反相輸入端的二極管D4A，D4B（BAT54A 是雙肖特基二極管） 和電阻R5 用來(lái)將反相輸入電壓鉗位到V B A T T ± 300 V_{BATT} \pm 300V
BATT
±300 mV。如果反相輸入端被拉低到小于V B A T T V_{BATT}V
BATT
時(shí)就需要鉗位，比如當(dāng)上電時(shí)，MOS管通過(guò)體二極管導(dǎo)通。這個(gè)鉗位電路也會(huì)在負(fù)載端產(chǎn)生高于V B A T T V_{BATT}V
BATT
的反向電壓時(shí)起到保護(hù)作用。
R6 是下拉電阻（或者說(shuō)是柵極放電電阻），用來(lái)在比較器未工作時(shí)保證MOS 管不導(dǎo)通。
R3 和R H Y S T R_{HYST}R
HYST
為比較器提供可選的遲滯，如果在無(wú)負(fù)載或小負(fù)載時(shí)有噪聲或振蕩，遲滯能保證穩(wěn)定。遲滯的數(shù)值要在穩(wěn)定性和最小的導(dǎo)致比較器觸發(fā)的反向電流這兩方面做出取舍，遲滯越大，反向電流的最小觸發(fā)值就越大。關(guān)于遲滯特性的信息，可以參考原文第7 段 - 參考文獻(xiàn)。
旁路電容C5 是必要的，因?yàn)殡姾杀眯枰粋€(gè)對(duì)地交流阻抗較低的通路才能正常工作。如果沒(méi)有C5，電荷泵的峰值電流可能從MOS 管的檢測(cè)部分流過(guò)，導(dǎo)致比較器被錯(cuò)誤觸發(fā)，尤其是當(dāng)MOS 管處于反向電流保護(hù)狀態(tài)或體二極管狀態(tài)。
注：可能是指會(huì)有電流從電荷泵經(jīng)過(guò)MOS 管的體二極管流過(guò)，導(dǎo)致漏極比源極電壓低，比較器就會(huì)使MOS 管導(dǎo)通
元件選取
MOSFET
MOS 管的導(dǎo)通電阻R D S ( o n ) R_{DS(on)}R
DS(on)
對(duì)電路的性能有最大的影響，導(dǎo)通電阻越低，觸發(fā)保護(hù)所需的反向電流就越大。這是因?yàn)閷?dǎo)通電阻越低，MOS 管上的壓降就越低，因而需要更大的反向電流才能達(dá)到比較器的觸發(fā)電壓。
注：意思就是觸發(fā)保護(hù)之前可能出現(xiàn)較大的瞬間反向電流，如果電源端有TVS 以及別的鉗位保護(hù)，或者輸出電容夠大、ESR 夠低，那么只要反向電流持續(xù)時(shí)間足夠短應(yīng)該就沒(méi)事，也就是要比較器動(dòng)作快。以及導(dǎo)通電阻非常低這個(gè)優(yōu)點(diǎn)此時(shí)變成了缺點(diǎn)，那么天生導(dǎo)通電阻比較大的PMOS 其實(shí)更適合用在這里
必須要指出的是，MOS 管的導(dǎo)通電阻具有正溫度系數(shù)，也就是導(dǎo)通電阻隨溫度增加而增加。這就導(dǎo)致當(dāng)溫度上升時(shí)，反向電流閾值會(huì)下降，反之則上升。所以必須在低溫時(shí)測(cè)試最大觸發(fā)電流。
注：所謂的worst case 是在低溫時(shí)，溫度上升后這個(gè)電路的表現(xiàn)會(huì)提升
如果一個(gè)MOS 管的導(dǎo)通電阻是20mΩ，1A 的反向電流就會(huì)在MOS 管漏極和源極之間產(chǎn)生20mV 壓降。這時(shí)的柵源電壓V G S ( o n ) V_{GS(on)}V
GS(on)
就被叫做“感應(yīng)”電壓。
注：原文 This VGS(ON) voltage will be referred to as the “sense” voltage，沒(méi)看懂
對(duì)于上圖的電路，MOS 管選擇了Nexperia 的BUK9K17-60，在V G S V_{GS}V
GS
約4V 時(shí)它的導(dǎo)通電阻約20mΩ，V D S ( m a x ) V_{DS(max)}V
DS(max)
為60V，封裝是SO-8，方便用在面包板上。
比較器
運(yùn)放的輸入失調(diào)電壓可被視為和輸入的檢測(cè)電壓串聯(lián)，取決于失調(diào)電壓的極性，它可能提高或者降低實(shí)際輸入的檢測(cè)電壓，從而成為影響閾值電壓的最重要因素之一。微小的檢測(cè)電壓必須克服失調(diào)電壓后才能到達(dá)到比較器的閾值。比較器的數(shù)據(jù)手冊(cè)中，失調(diào)電壓的規(guī)格是不分極性的絕對(duì)值（±1mV），所以在計(jì)算誤差范圍時(shí)，必須綜合考慮失調(diào)電壓的兩種極性。
MOS 管的柵極電容較大，通常約1nF，所以為了避免遲緩的開(kāi)關(guān)時(shí)間，采用推挽輸出的比較器更合適。為了實(shí)現(xiàn)盡量快的響應(yīng)時(shí)間，比較器必須盡可能快的關(guān)閉MOS 管，更強(qiáng)的電流輸出能力允許比較器更快的開(kāi)關(guān)MOS 管。
Suitable devices are the TLC3701, TLV3201, TLV7011, LMV761 and LMV7239 comparator families.
其他元件
R2 電阻的取值要考慮到對(duì)比較器啟動(dòng)時(shí)間的不利影響，因?yàn)槔鋯?dòng)上電后，比較器的旁路電容C3 要經(jīng)過(guò)R2 充電。C4 電容的容量越大，比較器電路的啟動(dòng)時(shí)間也越長(zhǎng)，在這段時(shí)間內(nèi)，MOS 管處于體二極管正偏導(dǎo)通狀態(tài)。然而，如果V B A T T V_{BATT}V
BATT
電壓被中斷或者瞬間降低，較大的C4 容量可以提供更長(zhǎng)的“保持時(shí)間”，讓電路仍能發(fā)揮保護(hù)效力。
仿真
注：測(cè)試電路是讓V B A T T V_{BATT}V
BATT
極性周期變化，看比較器電路能不能截?cái)嘭?fù)載端的負(fù)半周電流，就像二極管那樣。第一條線(xiàn)I l o a d I_{load}I
load
是負(fù)載端電流，第二條是V B A T T V_{BATT}V
BATT
，第三條是比較器的輸出電壓V c o m p o u t V_{compout}V
compout
。比較器輸出高電平時(shí)MOS 管導(dǎo)通
如上圖4 所示，當(dāng)I l o a d I_{load}I
load
電流過(guò)零，向負(fù)方向移動(dòng)時(shí)，比較器的輸出變?yōu)榈碗娖疥P(guān)斷了MOS 管，隔離了負(fù)載，將負(fù)載端電流變?yōu)榱恪?br />
上圖5 展示了電流負(fù)半周和比較器輸出狀態(tài)的放大視角，可以看出反向電流觸發(fā)點(diǎn)的位置。
注：圖里可以看出電流是先反向走了一會(huì)然后比較器才觸發(fā)，所以上半部分的I l o a d I_{load}I
load
曲線(xiàn)有一個(gè)負(fù)尖峰，但是后面電流上升的時(shí)候比較器動(dòng)作幾乎沒(méi)有延遲
反向電流的檢測(cè)用了更長(zhǎng)的時(shí)間，因而圖中的電流曲線(xiàn)出現(xiàn)了“下沖”，這是因?yàn)檫@時(shí)MOS 管正處于導(dǎo)通狀態(tài)，導(dǎo)通電阻很小，所以MOS 管上的壓降很小。電流上升時(shí)則相反，此時(shí)MOS 管不導(dǎo)通，兩端的壓降是體二極管的0.8V 正向壓降。如果反向電流的下沖是不可接受的，或許有必要給MOS 管串聯(lián)一個(gè)電阻，從而增加壓降。
對(duì)反向電流的響應(yīng)時(shí)間取決于四個(gè)參數(shù)：
MOS 管的導(dǎo)通電阻R D S ( o n ) R_{DS(on)}R
DS(on)
；
比較器的失調(diào)電壓；
比較器的傳播延遲；
電流曲線(xiàn)的上升/下降時(shí)間；
比較器的遲滯；
第1、2和第5 個(gè)參數(shù)在DC 環(huán)境有最大的影響，會(huì)延長(zhǎng)轉(zhuǎn)變時(shí)間?？紤]到不同MOS 管的參數(shù)差異以及不同負(fù)載下的變化，導(dǎo)通電阻可能造成最大的影響。
當(dāng)電流的邊緣上升/下降率和比較器的響應(yīng)時(shí)間接近時(shí)，第3 和第4 個(gè)參數(shù)會(huì)決定觸發(fā)電流的最小值。因?yàn)楸容^器的響應(yīng)時(shí)間基本固定，所以電流邊緣更加陡峭時(shí)，反向電流的最大值會(huì)上升。可以使用速度更快的的比較器，但是電路的響應(yīng)時(shí)間還取決于比較器驅(qū)動(dòng)MOS 管的速度，MOS 管柵極電容充放電的過(guò)程也會(huì)造成延遲。
注：意思就是如果電流曲線(xiàn)非常陡峭，那么到比較器準(zhǔn)備關(guān)斷MOS 管時(shí)，電流已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了觸發(fā)點(diǎn)
添加遲滯可以最小化電流接近閾值時(shí)的振蕩，但是也會(huì)對(duì)觸發(fā)點(diǎn)造成很大影響。
測(cè)試結(jié)果
注：這部分是實(shí)際電路的測(cè)試結(jié)果，同樣挑重點(diǎn)
負(fù)載電流驗(yàn)證
注：測(cè)試原理和仿真的相同，左半邊是保護(hù)關(guān)閉的情況，右邊圖里最上邊是被保護(hù)電路砍掉負(fù)半周的負(fù)載電流。藍(lán)線(xiàn)和綠線(xiàn)之間是比較器的供電電壓，基本不隨V B A T T V_{BATT}V
BATT
的起伏變化
左圖中頂部青色電流曲線(xiàn)清楚的顯示了負(fù)載電流變化的過(guò)程：下降到-2A，過(guò)零，然后上升到+2A。綠色曲線(xiàn)是V B A T T V_{BATT}V
BATT
電壓，在11V 到13V 之間變化。藍(lán)色線(xiàn)是比較器由電荷泵產(chǎn)生的供電電壓，由穩(wěn)壓管控制在V B A T T V_{BATT}V
BATT
+ 5V。藍(lán)色線(xiàn)是比較器驅(qū)動(dòng)MOS 管的輸出電壓，輸出低電平時(shí)，實(shí)際電壓等于V B A T T V_{BATT}V
BATT
，高電平則等于供電電壓。當(dāng)電流反向時(shí)比較器輸出低電平，電流正向時(shí)為高電平。
電路的運(yùn)作
保護(hù)電路啟用后，由上面的圖7 可見(jiàn)，當(dāng)負(fù)載電流過(guò)零轉(zhuǎn)入負(fù)半周時(shí)，比較器輸出低電平，導(dǎo)致負(fù)載電流負(fù)半周被截?cái)?，?dāng)負(fù)載電流過(guò)零上升時(shí)，比較器輸出高電平。當(dāng)反向電流接近觸發(fā)點(diǎn)時(shí)，比較器的輸出存在輕微的振蕩。
上圖8（左邊）展示了反向電流（青色）的下沖區(qū)和比較器的輸出狀態(tài)（玫紅），當(dāng)反向電流接近-150mA 時(shí)，比較器的輸出發(fā)生了振蕩（左邊下降沿），當(dāng)反向電流達(dá)到-300mA 時(shí)，比較器被完全觸發(fā)。在電流的負(fù)半周，MOS 管保持關(guān)斷狀態(tài)，因?yàn)楸容^器輸出低電平，MOS 管柵源電壓V G S V_{GS}V
GS
= 0V。
在比較器應(yīng)用中，當(dāng)輸入信號(hào)（差模電壓）接近零，并且處于轉(zhuǎn)變的邊緣時(shí)，這種振蕩是常見(jiàn)的，此時(shí)比較器是被噪聲觸發(fā)。后文會(huì)討論如何減少振蕩。
當(dāng)電流過(guò)零上升時(shí)，比較器輸出高電平，驅(qū)動(dòng)MOS 管開(kāi)啟，接通負(fù)載。在沒(méi)有導(dǎo)通時(shí)，MOS 管兩端的電壓是最大的，由于正向偏置的體二極管在MOS 管兩端制造的大約700mV 的電壓，正向開(kāi)啟的速度更快，觸發(fā)的一致性也更好。
上文已經(jīng)提到過(guò)，反向電流下沖的量主要取決于MOS 管的導(dǎo)通電阻，比較器的失調(diào)電壓以及附加的遲滯。
應(yīng)用遲滯
要減少比較器的輸出振蕩，可以給電路添加遲滯。然而，遲滯會(huì)提高觸發(fā)點(diǎn)（絕對(duì)值），從而降低靈敏度并提高反向電流的觸發(fā)點(diǎn)。
上圖9（右邊）展示了添加1MΩ 遲滯電阻（R H Y S T R_{HYST}R
HYST
）降低振蕩的效果。可看出，反向電流的觸發(fā)點(diǎn)移動(dòng)到了大約-500mA，因?yàn)楸容^器需要更高的輸入電壓以克服遲滯效應(yīng)增加的閾值。
注：不過(guò)也可以看出，下降沿的振蕩確實(shí)沒(méi)了
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