「電源を扱うためのいくつかのよく知られた方法があります 電圧 逆転。 最も明白な方法は、電源と負荷の間にダイオードを接続することですが、ダイオードの順方向電圧のため、このアプローチでは追加の電力消費が発生します。 この方法は非常に簡単ですが、バッテリーは充電時に電流を吸収し、充電しないときに電流を供給する必要があるため、ダイオードはポータブルまたはバックアップアプリケーションには役立ちません。
「
スティーブンマーティン、バッテリー充電器デザインマネージャー
導入
電源電圧の反転に対処するためのいくつかのよく知られた方法があります。 最も明白な方法は、電源と負荷の間にダイオードを接続することですが、ダイオードの順方向電圧のため、このアプローチでは追加の電力消費が発生します。 この方法は非常に簡単ですが、バッテリーは充電時に電流を吸収し、充電しないときに電流を供給する必要があるため、ダイオードはポータブルまたはバックアップアプリケーションには役立ちません。
もうXNUMXつの方法は、次のいずれかを使用することです。 モスフェット 図1に示す回路。
図1：従来の負荷側の逆保護
負荷側回路の場合、電源 (バッテリ) の電圧が負荷側の回路を昇圧するため、この方法はダイオードを使用するよりも優れています。 MOSFETその結果、電圧降下が少なくなり、コンダクタンスが大幅に高くなります。 これのNMOSバージョン 回路 ディスクリート NMOS トランジスタは導電性が高く、コストが低く、使いやすさが優れているため、PMOS バージョンよりも優れています。 どちらの回路でも、MOSFET はバッテリ電圧が正の場合にオンになり、バッテリ電圧が逆になると切断されます。 MOSFET の物理的な「ドレイン」は、PMOS バージョンでは電位が高く、NMOS バージョンでは電位が低いため、電源になります。 以来 MOSFET 三極真空管領域で電気的に対称であるため、両方向に十分に電流を流すことができます。 この方法を使用する場合、 トランジスタ 最大VGSおよびVDS定格がバッテリー電圧よりも高い必要があります。
残念ながら、この方法は負荷側の回路にのみ有効であり、バッテリーを充電できる回路では機能しません。 バッテリー充電器は電力を生成し、MOSFETを再度有効にして、リバースバッテリーへの接続を再確立します。 図2に、NMOSバージョンの使用例を示します。 図に示すバッテリーは故障状態です。
図2：バッテリー充電器を備えた負荷側保護回路
バッテリーが接続されると、バッテリー充電器はアイドル状態になり、負荷とバッテリー充電器はリバースバッテリーから安全に切り離されます。 ただし、充電器が動作状態に変化すると（たとえば、入力電源コネクタが接続されている場合）、充電器はNMOSのゲートとソースの間に電圧を生成し、NMOSを強化して、電流伝導を実現します。 これは、図3でより鮮明になっています。
図3：従来の逆バッテリ保護方式はバッテリ充電器回路には無効です
負荷と充電器は逆電圧から絶縁されていますが、保護MOSFETが直面する主な問題は、消費電力が大きすぎることです。 この場合、バッテリー充電器はバッテリー放電器になります。 バッテリ充電器が、充電器によって供給される電流を吸収するのに十分なゲートサポートをMOSFETに提供すると、回路は平衡に達します。 たとえば、強力なMOSFETのVTH 約 2V であり、充電器は 2V 電圧以下で電流を供給でき、バッテリ充電器の出力電圧は 2V で安定します (MOSFET のドレインは 2V + バッテリ電圧です)。 MOSFETの電力損失はIです。電荷 •（VTH + VBAT）、MOSFETが熱くなり、発生した熱がプリント回路基板から放散されるまで熱を発生します。 この回路のPMOSバージョンについても同じことが言えます。
この方法のXNUMXつの代替案を以下に紹介します。それぞれに長所と短所があります。
NチャネルMOSFETの設計
最初のソリューションは、図4に示すように、NMOS分離デバイスを使用します。
この回路のアルゴリズムは次のとおりです。バッテリ電圧がバッテリ充電器の出力電圧を超える場合は、アイソレーションMOSFETを無効にする必要があります。
前述の NMOS 方式と同様に、この回路でも MN1 は充電器/負荷とバッテリー端子の間の配線の低電圧側に接続されます。ただし、トランジスタ MP1 と Q1 は、バッテリが逆接続された場合に MN1 を非アクティブにする検出回路を提供します。バッテリーを逆にすると、MP1 のソースが充電器のプラス端子に接続されたグリッドよりも高くなります。次に、MP1 のドレインは R1 を介して Q1 のベースに電流を供給します。次に、Q1 は MN1 のゲートをグランドにシャントし、MN1 に充電電流が流れるのを防ぎます。 R1 は逆検出中に Q1 に流れるベース電流を制御する役割を果たし、R2 は通常動作中に Q1 のベースにブリーダを提供します。 R3 は、MN1 のゲートをグランドに引き下げる権限を Q1 に与えます。 R3/R4 分圧器は MN1 のゲートの電圧を制限するため、バッテリの逆ホットスワップ中にゲート電圧がそれほど低下する必要はありません。最悪のケースは、バッテリ充電器がすでに動作していて一定の電圧レベルを生成しており、逆バッテリが接続されている場合です。この場合、高電力が消費される時間を制限するために、できるだけ早くMN1をオフにする必要があります。 R3 と R4 を備えたこの特別バージョンの回路は、12V 鉛蓄電池アプリケーションに最適ですが、単セルおよび 4 セルのリチウムイオン バッテリ製品などの低電圧アプリケーションでは、RXNUMX を免除できます。 C1 は、バッテリの逆接続中に MN1 のゲート レベルを引き下げる超高速チャージ ポンプを提供します。最悪の場合（逆向きのバッテリーが接続されている場合、充電器が再び有効になった場合）、C1 は非常に役立ちます。
この回路の欠点は、追加の コンポーネント が必要です。 R3 / R4分圧器は、バッテリーに小さいながらも継続的な負荷をかけます。
これらのコンポーネントのほとんどはスリムです。 MP1 および Q1 はパワー デバイスではなく、通常は SOT23-3、SC70-3、またはそれより小さいパッケージが利用可能です。 MN1 は伝送デバイスであるため、導電性が非常に優れている必要がありますが、サイズは大きくする必要はありません。 これは深い三極管領域で動作し、ゲートによって大幅に強化されているため、中程度の導電率を持つデバイスであっても消費電力は非常に低くなります。 たとえば、100mΩ 未満のトランジスタは SOT23-3 にパッケージされることがよくあります。
図4：実現可能な逆バッテリ回路
ただし、小さなパスを使用することの欠点 トランジスタ バッテリー充電器と直列の追加インピーダンスは、定電圧充電フェーズ中の充電時間を延長することです。 たとえば、バッテリーとその配線の等価直列抵抗が100mΩで、100mΩの絶縁トランジスタを使用すると、定電圧充電フェーズでの充電時間がXNUMX倍になります。
MP1とQ1で構成される検出および非アクティブ化回路は、MN1を非アクティブ化するのに特に高速ではなく、そうである必要はありません。 MN1はバッテリの逆接続時に高消費電力を生成しますが、シャットダウン回路は「最後に」MN1を切断するだけで済みます。 MN1が非常に熱くなり、損傷を引き起こす前に、MN1を切断する必要があります。 数十マイクロ秒の切断時間がより適切な場合があります。 一方、バッテリーの逆接続が充電器と負荷電圧を負の値に引き上げる機会を得る前に、MN1を無効にすることが重要であるため、C1が必要です。 基本的に、回路にはXNUMXつのACおよびXNUMXつのDC非アクティブ化パスがあります。
この回路は、鉛蓄電池とLTC4015バッテリ充電器でテストされました。 図5に示すように、バッテリーが逆方向にホットプラグされている場合、バッテリー充電器はオフ状態になります。 逆電圧は充電器と負荷に送信されません。
図5：充電器がオフ状態のNMOS保護回路
MN1にはバッテリー電圧に等しいVが必要であることに注意してください。DS 定格値とバッテリー電圧の1/2に等しいVGS 定格値。 MP1 にはバッテリー電圧と等しい V が必要ですDS そしてVGS 定格値。
図6は、より深刻な状況を示しています。つまり、リバースバッテリーがホットスワップされたときに、バッテリー充電器はすでに正常に動作しています。 バッテリーを逆に接続すると、検出および保護回路が動作を停止するまで充電器側の電圧が低下し、充電器を安全に一定の電圧レベルに戻すことができます。 動的特性はアプリケーションごとに異なり、バッテリー充電器の静電容量が最終結果に大きな役割を果たします。 このテストでは、バッテリー充電器に高Qセラミックコンデンサと低Qポリマーコンデンサの両方があります。
図6：充電器が動作しているNMOS保護回路
つまり、アルミポリマーの使用をお勧めします コンデンサ バッテリー充電器のアルミニウム電解コンデンサーは、通常の正のバッテリーホットプラグ時のパフォーマンスを向上させます。 極端な非線形性のため、純粋なセラミックコンデンサはホットプラグ時に過度のオーバーシュートを発生させます。 この背後にある理由は、電圧が0Vから定格電圧に上昇すると、静電容量が驚くほど80％減少するためです。 この非線形性は、低電圧条件下で大電流の流れを刺激し、電圧が上昇すると、静電容量が急速に減少します。 これは、非常に高い電圧のオーバーシュートを引き起こす致命的な組み合わせです。 経験則として、セラミックコンデンサと低Qの電圧安定アルミニウムコンデンサ、またはタンタルコンデンサの組み合わせが最も堅牢な組み合わせのようです。
PチャネルMOSFETの設計
図7は、保護デバイスとしてPMOSトランジスタを使用するXNUMX番目の方法を示しています。
図7：PMOSトランジスタの伝送素子のバージョン
この回路では、MP1は逆バッテリ検出デバイスであり、MP2は逆絶縁デバイスです。 MP1のソースからゲートへの電圧を使用して、バッテリの正端子をバッテリ充電器の出力と比較します。 バッテリー充電器の端子電圧がバッテリー電圧よりも高い場合、MP1はメイン伝送デバイスMP2を非アクティブにします。 したがって、バッテリ電圧がグランドより低く駆動される場合、検出デバイスMP1が送信デバイスMP2をオフ状態に駆動することは明らかです（ゲートをソースに干渉します）。 バッテリー充電器が有効で充電電圧を形成するか無効（0V）にするかに関係なく、上記の操作を完了します。
この回路の最大の利点は、PMOSアイソレーショントランジスタMP2が充電器回路と負荷に負の電圧を送信する権限を持たないことです。 図8は、これをより明確に示しています。
図8：カスコード効果の図
MP2からR1のゲートで達成できる最低電圧は0Vです。 MP2のドレインが接地電位よりはるかに低く引っ張られたとしても、そのソースは大きな電圧下向きの圧力をかけません。 ソース電圧がVに低下すると、トランジスタはグランドより上になりますTH、トランジスタはそれ自身のバイアスを解放し、その導電率は徐々に消えます。 ソース電圧がグランド電位に近いほど、トランジスタのバイアス解放の程度が高くなります。 この機能と単純なトポロジーを組み合わせることで、この方法は上記のNMOS方法よりも一般的になります。 ＮＭＳ法と比較して、それは、ＰＭＯＳトランジスタのより低い導電率およびより高いコストという欠点を有する。
この回路はNMOS方式よりも単純ですが、大きな欠点があります。 常に逆電圧に対する保護を提供しますが、回路をバッテリーに接続するとは限りません。 図に示すようにゲートがクロスカップリングされると、回路はラッチされたストレージエレメントを形成し、間違った状態を選択する可能性があります。 達成するのは難しいですが、充電器が電圧（たとえば12V）を生成し、バッテリーがより低い電圧（たとえば8V）で接続されている場合、回路が切断される状況があります。
この場合、MP1のソースからゲートへの電圧は+ 4Vであるため、MP1が強化され、MP2が非アクティブになります。 この状況を図9に示し、安定した電圧がノードにリストされています。
図9：PMOS保護回路を使用した場合に考えられるブロッキング状態の図
この状態を実現するには、バッテリーが接続されているときに充電器がすでに稼働している必要があります。 充電器を有効にする前にバッテリーを接続すると、MP1のゲート電圧がバッテリーによって完全に引き上げられ、MP1が無効になります。 充電器のスイッチを入れると、（大電流サージではなく）制御された電流が生成され、MP1がオンになりMP2がオフになる可能性が低くなります。
一方、バッテリーを取り付ける前に充電器を有効にすると、MP1のゲートは、ブリーダーによって引き上げられるため、バッテリー充電器の出力に追従します。 抵抗 R2。 バッテリーが接続されていない場合、MP1がオンになり、MP2が動作しなくなる傾向はありません。
充電器が稼働していて、バッテリーが接続されている場合、問題が発生します。 この場合、充電器の出力とバッテリ端子の間に瞬間的な違いがあり、バッテリ電圧によって充電器のコンデンサが吸収されるため、MP1はMP2を動作停止にします。 これにより、充電コンデンサから電荷を引き出すMP2の機能と、MP1を動作停止にするMP2の機能との間に競争が生じます。
この回路は、鉛蓄電池とLTC4015バッテリ充電器でもテストされました。 バッテリーシミュレーターとして高負荷の6V電源装置を有効なバッテリー充電器に接続しても、「切断」状態がトリガーされることはありません。 実行されるテストは包括的ではないため、主要なアプリケーションでより包括的かつ徹底的にテストする必要があります。 回路が実際にロックされている場合でも、バッテリー充電器を無効にしてから再度有効にすると、常に再接続されます。
障害状態は、回路を操作することで実証できます（R1の上部とバッテリー充電器の出力の間に一時的な接続を確立します）。 ただし、一般的に、回路は接続される傾向が強いと考えられています。 接続障害が問題になる場合は、複数のデバイスを使用してバッテリー充電器を無効にする回路を設計できます。 図12に、より完全な回路例を示します。
図10は、充電器を無効にした場合のPMOS保護回路の効果を示しています。
どんな状況でも、充電器と負荷電圧の間に負の電圧伝達はありませんのでご注意ください。
図11は、回路が「バッテリーがホットプラグのために逆接続されたときに充電器が動作状態に入った」という好ましくない状況にあることを示しています。
NFS回路の効果はほとんど同じです。 トランスファトランジスタMP2を動作停止にするために回路を切断する前に、リバースバッテリは充電器と負荷電圧をわずかに下げます。
このバージョンの回路では、トランジスタMP2はバッテリVのXNUMX倍の電圧に耐えることができなければなりません。DS （XNUMXつは充電器用、もうXNUMXつはバッテリーの逆接続用）およびVはバッテリー電圧に等しいGS。 一方、MP1はバッテリー電圧に等しいVに耐えることができなければなりませんDSそしてバッテリー電圧のXNUMX倍のVGS。 MOSFETトランジスタの場合、定格VDS常に定格Vを超えるGS。 30VVで見つけることができますGS 公差と40VVDS 耐性トランジスタは、鉛蓄電池の用途に適しています。 より高い電圧のバッテリーをサポートするには、ツェナーダイオードと電流制限抵抗を追加して回路を変更する必要があります。
図12に、直列に積み重ねられたXNUMXつの鉛蓄電池を処理できる回路の例を示します。
図10：充電器がオフ状態のPMOS保護回路
図11：充電器が動作しているPMOS保護回路
ADIは、提供する情報が正確で信頼できると信じています。 ただし、ADIは、その使用、およびその使用に起因する可能性のある第三者の特許またはその他の権利の侵害について責任を負いません。 仕様は予告なく変更される場合があります。 ADIの特許または特許権を使用するためのライセンスは、黙示的またはその他の方法で付与されないものとします。
図12：高電圧逆バッテリ保護。
D1、D3、およびR3は、MP2およびMP3のゲートを高電圧による損傷から保護します。 逆向きのバッテリーがホットスワップされると、D2はMP3グリッドとバッテリー充電器の出力が地面の電位よりも急速に下がるのを防ぐことができます。 回路にリバースバッテリがある場合、または誤った切断ロックアウト状態にある場合、MP1とR1を検出し、LTC4015の欠落しているRT機能を使用してバッテリ充電器を無効にすることができます。
結論として
バッテリー充電器ベースのアプリケーション用の逆電圧保護回路を開発することが可能です。 人々はいくつかの回路を開発し、簡単なテストを実施しました、そしてテスト結果は励みになります。 逆バッテリーの問題には巧妙なトリックはありませんが、この記事で紹介した方法が十分な啓蒙を提供できることを願っています。つまり、シンプルで低コストのソリューションがあります。
スティーブンマーティン、バッテリー充電器の設計マネージャー
導入
電源電圧の反転に対処するためのいくつかのよく知られた方法があります。 最も明白な方法は、電源と負荷の間にダイオードを接続することですが、ダイオードの順方向電圧のため、このアプローチでは追加の電力消費が発生します。 この方法は非常に簡単ですが、バッテリーは充電時に電流を吸収し、充電しないときに電流を供給する必要があるため、ダイオードはポータブルまたはバックアップアプリケーションには役立ちません。
もう1つの方法は、図XNUMXに示すMOSFET回路のXNUMXつを使用することです。
図1：従来の負荷側の逆保護
負荷側回路の場合、この方法はダイオードを使用するよりも優れています。これは、電源 (バッテリ) 電圧が MOSFET を昇圧し、結果として電圧降下が少なくなり、コンダクタンスが大幅に高くなるためです。 この回路の NMOS バージョンは、個別の NMOS トランジスタの導電率が高く、コストが低く、使いやすさが優れているため、PMOS バージョンよりも優れています。 どちらの回路でも、MOSFET はバッテリ電圧が正の場合にオンになり、バッテリ電圧が逆になると切断されます。 MOSFET の物理的な「ドレイン」は、PMOS バージョンでは電位が高く、NMOS バージョンでは電位が低いため、電源になります。 MOSFET は三極管領域で電気的に対称であるため、両方向に良好に電流を流すことができます。 この方法を使用する場合、トランジスタの最大 VGS および VDS 定格はバッテリ電圧よりも高い必要があります。
残念ながら、この方法は負荷側の回路にのみ有効であり、バッテリーを充電できる回路では機能しません。 バッテリー充電器は電力を生成し、MOSFETを再度有効にして、リバースバッテリーへの接続を再確立します。 図2に、NMOSバージョンの使用例を示します。 図に示すバッテリーは故障状態です。
図2：バッテリー充電器を備えた負荷側保護回路
バッテリーが接続されると、バッテリー充電器はアイドル状態になり、負荷とバッテリー充電器はリバースバッテリーから安全に切り離されます。 ただし、充電器が動作状態に変化すると（たとえば、入力電源コネクタが接続されている場合）、充電器はNMOSのゲートとソースの間に電圧を生成し、NMOSを強化して、電流伝導を実現します。 これは、図3でより鮮明になっています。
図3：従来の逆バッテリ保護方式はバッテリ充電器回路には無効です
負荷と充電器は逆電圧から絶縁されていますが、保護MOSFETが直面する主な問題は、消費電力が大きすぎることです。 この場合、バッテリー充電器はバッテリー放電器になります。 バッテリ充電器が、充電器によって供給される電流を吸収するのに十分なゲートサポートをMOSFETに提供すると、回路は平衡に達します。 たとえば、強力なMOSFETのVTH 約 2V であり、充電器は 2V 電圧以下で電流を供給でき、バッテリ充電器の出力電圧は 2V で安定します (MOSFET のドレインは 2V + バッテリ電圧です)。 MOSFETの電力損失はIです。電荷 •（VTH + VBAT）、MOSFETが熱くなり、発生した熱がプリント回路基板から放散されるまで熱を発生します。 この回路のPMOSバージョンについても同じことが言えます。
この方法のXNUMXつの代替案を以下に紹介します。それぞれに長所と短所があります。
NチャネルMOSFETの設計
最初のソリューションは、図4に示すように、NMOS分離デバイスを使用します。
この回路のアルゴリズムは次のとおりです。バッテリ電圧がバッテリ充電器の出力電圧を超える場合は、アイソレーションMOSFETを無効にする必要があります。
前述の NMOS 方式と同様に、この回路でも MN1 は充電器/負荷とバッテリー端子の間の配線の低電圧側に接続されます。 ただし、トランジスタ MP1 と Q1 は、バッテリが逆接続された場合に MN1 を非アクティブにする検出回路を提供します。 バッテリーを逆にすると、MP1 のソースが充電器のプラス端子に接続されたグリッドよりも高くなります。 次に、MP1 のドレインは R1 を介して Q1 のベースに電流を供給します。 次に、Q1 は MN1 のゲートをグランドにシャントし、MN1 に充電電流が流れるのを防ぎます。 R1 は逆検出中に Q1 に流れるベース電流を制御する役割を果たし、R2 は通常動作中に Q1 のベースにブリーダを提供します。 R3 は、MN1 のゲートをグランドに引き下げる権限を Q1 に与えます。 R3/R4 分圧器は MN1 のゲートの電圧を制限するため、バッテリの逆ホットスワップ中にゲート電圧がそれほど低下する必要はありません。 最悪のケースは、バッテリ充電器がすでに動作中で、定電圧レベルを生成しており、逆バッテリが接続されている場合です。 この場合、高電力が消費される時間を制限するために、できるだけ早くMN1をオフにする必要があります。 R3 と R4 を備えたこの特別バージョンの回路は、12V 鉛蓄電池アプリケーションに最適ですが、単セルおよび 4 セルのリチウムイオン バッテリ製品などの低電圧アプリケーションでは、R1 を免除できます。 コンデンサ C1 は、バッテリの逆接続時に MN1 のゲート レベルを引き下げる超高速チャージ ポンプを提供します。 最悪の場合（逆向きのバッテリーが接続されている場合、充電器が再び有効になった場合）、CXNUMX は非常に役立ちます。
この回路の欠点は、追加のコンポーネントが必要になることです。 R3 / R4分圧器は、バッテリーに小さいながらも継続的な負荷をかけます。
これらのコンポーネントのほとんどはスリムです。 MP1 および Q1 はパワー デバイスではなく、通常は SOT23-3、SC70-3、またはそれより小さいパッケージが利用可能です。 MN1 は送信デバイスであるため、導電性が非常に優れている必要がありますが、サイズが大きい必要はありません。 これは深い三極管領域で動作し、ゲートによって大幅に強化されているため、中程度の導電率を持つデバイスであっても消費電力は非常に低くなります。 たとえば、100mΩ 未満のトランジスタは SOT23-3 にパッケージされることがよくあります。
図4：実現可能な逆バッテリ回路
ただし、スモールパストランジスタを使用することの欠点は、バッテリ充電器と直列にインピーダンスを追加すると、定電圧充電フェーズ中の充電時間が長くなることです。 たとえば、バッテリーとその配線の等価直列抵抗が100mΩで、100mΩの絶縁トランジスタを使用すると、定電圧充電フェーズでの充電時間がXNUMX倍になります。
MP1とQ1で構成される検出および非アクティブ化回路は、MN1を非アクティブ化するのに特に高速ではなく、そうである必要はありません。 MN1はバッテリの逆接続時に高消費電力を生成しますが、シャットダウン回路は「最後に」MN1を切断するだけで済みます。 MN1が非常に熱くなり、損傷を引き起こす前に、MN1を切断する必要があります。 数十マイクロ秒の切断時間がより適切な場合があります。 一方、バッテリーの逆接続が充電器と負荷電圧を負の値に引き上げる機会を得る前に、MN1を無効にすることが重要であるため、C1が必要です。 基本的に、回路にはXNUMXつのACおよびXNUMXつのDC非アクティブ化パスがあります。
この回路は、鉛蓄電池とLTC4015バッテリ充電器でテストされました。 図5に示すように、バッテリーが逆方向にホットプラグされている場合、バッテリー充電器はオフ状態になります。 逆電圧は充電器と負荷に送信されません。
図5：充電器がオフ状態のNMOS保護回路
MN1にはバッテリー電圧に等しいVが必要であることに注意してください。DS 定格値とバッテリー電圧の1/2に等しいVGS 定格値。 MP1 にはバッテリー電圧と等しい V が必要ですDS そしてVGS 定格値。
図6は、より深刻な状況を示しています。つまり、リバースバッテリーがホットスワップされたときに、バッテリー充電器はすでに正常に動作しています。 バッテリーを逆に接続すると、検出および保護回路が動作しなくなるまで充電器側の電圧が低下し、充電器を安全に一定の電圧レベルに戻すことができます。 動的特性はアプリケーションごとに異なり、バッテリー充電器の静電容量が最終結果に大きな役割を果たします。 このテストでは、バッテリー充電器に高Qセラミックコンデンサと低Qポリマーコンデンサの両方があります。
図6：充電器が動作しているNMOS保護回路
つまり、バッテリー充電器にアルミニウムポリマーコンデンサーとアルミニウム電解コンデンサーを使用して、通常の正のバッテリーホットプラグ時のパフォーマンスを向上させることをお勧めします。 極端な非線形性のため、純粋なセラミックコンデンサはホットプラグ時に過度のオーバーシュートを発生させます。 この背後にある理由は、電圧が0Vから定格電圧に上昇すると、静電容量が驚くほど80％減少するためです。 この非線形性は、低電圧条件下で大電流の流れを刺激し、電圧が上昇すると、静電容量が急速に減少します。 これは、非常に高い電圧のオーバーシュートにつながる致命的な組み合わせです。 経験則として、セラミックコンデンサと低Qの電圧安定アルミニウムコンデンサ、またはタンタルコンデンサの組み合わせが最も堅牢な組み合わせのようです。
PチャネルMOSFETの設計
図7は、保護デバイスとしてPMOSトランジスタを使用するXNUMX番目の方法を示しています。
図7：PMOSトランジスタの伝送素子のバージョン
この回路では、MP1は逆バッテリ検出デバイスであり、MP2は逆絶縁デバイスです。 MP1のソースからゲートへの電圧を使用して、バッテリの正端子をバッテリ充電器の出力と比較します。 バッテリー充電器の端子電圧がバッテリー電圧よりも高い場合、MP1はメイン伝送デバイスMP2を非アクティブにします。 したがって、バッテリ電圧がグランドより低く駆動される場合、検出デバイスMP1が送信デバイスMP2をオフ状態に駆動することは明らかです（ゲートをソースに干渉します）。 バッテリー充電器が有効で充電電圧を形成するか無効（0V）にするかに関係なく、上記の操作を完了します。
この回路の最大の利点は、PMOSアイソレーショントランジスタMP2が充電器回路と負荷に負の電圧を送信する権限を持たないことです。 図8は、これをより明確に示しています。
図8：カスコード効果の図
MP2からR1のゲートで達成できる最低電圧は0Vです。 MP2のドレインが接地電位よりはるかに低く引っ張られたとしても、そのソースは大きな電圧下向きの圧力をかけません。 ソース電圧がVに低下すると、トランジスタはグランドより上になりますTH、トランジスタはそれ自体のバイアスを解放し、その導電率は徐々に消えます。 ソース電圧がグランド電位に近いほど、トランジスタのバイアス解放の程度が高くなります。 この機能と単純なトポロジーを組み合わせることで、この方法は上記のNMOS方法よりも一般的になります。 ＮＭＳ法と比較して、それは、ＰＭＯＳトランジスタのより低い導電率およびより高いコストという欠点を有する。
この回路はNMOS方式よりも単純ですが、大きな欠点があります。 常に逆電圧に対する保護を提供しますが、回路をバッテリーに接続するとは限りません。 図のようにゲートが相互結合されると、回路はラッチされたストレージ要素を形成し、間違った状態を選択する可能性があります。 達成するのは難しいですが、充電器が電圧（たとえば12V）を生成し、バッテリーがより低い電圧（たとえば8V）で接続されている場合、回路が切断される状況があります。
この場合、MP1のソースからゲートへの電圧は+ 4Vであるため、MP1が強化され、MP2が非アクティブになります。 この状況を図9に示し、安定した電圧がノードにリストされています。
図9：PMOS保護回路を使用した場合に考えられるブロッキング状態の図
この状態を実現するには、バッテリーが接続されているときに充電器がすでに稼働している必要があります。 充電器を有効にする前にバッテリーを接続すると、MP1のゲート電圧がバッテリーによって完全に引き上げられ、MP1が無効になります。 充電器のスイッチを入れると、（大電流サージではなく）制御された電流が生成され、MP1がオンになりMP2がオフになる可能性が低くなります。
一方、バッテリーを取り付ける前に充電器を有効にすると、MP1のゲートは、ブリーダー抵抗R2によって引き上げられるため、バッテリー充電器の出力に追従します。 バッテリーが接続されていない場合、MP1がオンになり、MP2が動作しなくなる傾向はありません。
充電器が稼働していて、バッテリーが接続されている場合、問題が発生します。 この場合、充電器の出力とバッテリ端子の間に瞬間的な違いがあり、バッテリ電圧によって充電器のコンデンサが吸収されるため、MP1はMP2を動作停止にします。 これにより、充電コンデンサから電荷を引き出すMP2の機能と、MP1を動作停止にするMP2の機能との間に競争が生じます。
この回路は、鉛蓄電池とLTC4015バッテリ充電器でもテストされました。 バッテリーシミュレーターとして高負荷の6V電源装置を有効なバッテリー充電器に接続しても、「切断」状態がトリガーされることはありません。 実行されるテストは包括的ではないため、主要なアプリケーションでより包括的かつ徹底的にテストする必要があります。 回路が実際にロックされている場合でも、バッテリー充電器を無効にしてから再度有効にすると、常に再接続されます。
障害状態は、回路を操作することで実証できます（R1の上部とバッテリー充電器の出力の間に一時的な接続を確立します）。 ただし、一般的に、回路は接続される傾向が強いと考えられています。 接続障害が問題になる場合は、複数のデバイスを使用してバッテリー充電器を無効にする回路を設計できます。 図12に、より完全な回路例を示します。
図10は、充電器を無効にした場合のPMOS保護回路の効果を示しています。
どんな状況でも、充電器と負荷電圧の間に負の電圧伝達はありませんのでご注意ください。
図11は、回路が「バッテリーがホットプラグのために逆接続されたときに充電器が動作状態に入った」という好ましくない状況にあることを示しています。
NFS回路の効果はほとんど同じです。 トランスファトランジスタMP2を動作停止にするために回路を切断する前に、リバースバッテリは充電器と負荷電圧をわずかに下げます。
このバージョンの回路では、トランジスタMP2はバッテリVのXNUMX倍の電圧に耐えることができなければなりません。DS （XNUMXつは充電器用、もうXNUMXつはバッテリーの逆接続用）およびVはバッテリー電圧に等しいGS。 一方、MP1はバッテリー電圧に等しいVに耐えることができなければなりませんDSそしてバッテリー電圧のXNUMX倍のVGS。 MOSFETトランジスタの場合、定格VDS常に定格Vを超えるGS。 30VVで見つけることができますGS 公差と40VVDS 耐性トランジスタは、鉛蓄電池の用途に適しています。 より高い電圧のバッテリーをサポートするには、ツェナーダイオードと電流制限抵抗を追加して回路を変更する必要があります。
図12に、直列に積み重ねられたXNUMXつの鉛蓄電池を処理できる回路の例を示します。
図10：充電器がオフ状態のPMOS保護回路
図11：充電器が動作しているPMOS保護回路
ADIは、提供する情報が正確で信頼できると信じています。 ただし、ADIは、その使用、およびその使用に起因する可能性のある第三者の特許またはその他の権利の侵害について責任を負いません。 仕様は予告なく変更される場合があります。 ADIの特許または特許権を使用するためのライセンスは、黙示的またはその他の方法で付与されないものとします。
図12：高電圧逆バッテリ保護。
D1、D3、およびR3は、MP2およびMP3のゲートを高電圧による損傷から保護します。 逆向きのバッテリーがホットスワップされると、D2はMP3グリッドとバッテリー充電器の出力が地面の電位よりも急速に下がるのを防ぐことができます。 回路にリバースバッテリがある場合、または誤った切断ロックアウト状態にある場合、MP1とR1を検出し、LTC4015の欠落しているRT機能を使用してバッテリ充電器を無効にすることができます。
結論として
バッテリ充電器ベースのアプリケーション用の逆電圧保護回路を開発できます。 人々はいくつかの回路を開発し、簡単なテストを実施しました、そしてテスト結果は励みになります。 逆バッテリーの問題には巧妙なトリックはありませんが、この記事で紹介した方法が十分な啓蒙を提供できることを願っています。つまり、シンプルで低コストのソリューションがあります。