产品详情：保护电源路径的十一个途径（五）第四章：阻断反向电流
来源：乐鱼体育平台 发布时间：2024-10-07 23:48:17
当电流从输出传输到输入，而不是从输入传输到输出时，就会发生反向电流。本章解释了反向电流来自什么地方，为什么它会对系统有害，以及如何修改设计以防止反向电流。 什么是反向电流？
反向电流是指当系统输出的电压比输入的电压高的时候，导致电流反向通过系统。有两种常见的反向电压来源：第一个是当电源与系统断开时，输入电压突然下降。在此期间，在输出端可以留下一个较高的电压，从而暂时产生反向电流。见下图1。 图1：由突然断电引起的反向电流。
反向电流的另一个原因是，当金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）用于负载开关应用，体二极管变得正向偏置。 开关的电压高于输入的开关的输出产生反向电压，这就是导致反向电流。不要把这和负电压混淆，也称为反向极性。在电源的正负端子被切换的情况下，会出现负电压。在这种情况下，应该连接到地面的东西实际上有一个从正输入到系统的电压，如图2所示。这导致通过器件产生的电流现象与反向极性相反的电流现象。 有关反向极性保护的更多信息，请参见第5章。 为什么需要阻止反向电流？
反向电流可能会损坏内部电路和电源。根据从输出到输入的路径，反向电流峰值也会损坏电缆和连接器。如果您使用MOSFET进行负载开关应用，反向电流能够最终靠其体二极管向前偏置，因为FET输出电压大于输入电压。这导致整个体二极管的功率耗散呈线表示：
ROP是通过本体二极管的电压降。如果通过装置的功耗产生的热量超过了装置的热额定值，那么就会发生燃烧。因此，必须限制反向电流流，或反向电压。 何时需要阻止反向电流？
电源多路复用是指利用一个开关电路为一个系统选择一个多个电源，并能够在它们之间进行切换。下图3显示了此配置。 图3：电源复用配置。
如果其中一个电源电压高于另一个，那么即使另一个电源轨有一个“打开”开关，也有一定的可能发生反向电流——一个例子是使用FET开关电源。开放场效应晶体管输出处的较高电压导致反向电流从高压电源流出，通过场效应晶体管体二极管进入低压电源。 下图4显示了当3.3-V轨道的开关打开时，5V对系统的作用。 图4：电源复用产生的反向电流。
可以在图4中看到，通过一个简单的FET开关解决方案，反向电流能够流过FET体二极管，即使当开关是打开的。 ORing
ORing类似于电力复用，除了不是选择一个电源来为系统供电，最高的电压总是为系统供电。反向电流阻塞在这里也是必要的，因为当其他开关关闭时，每个ORing开关都能看到反向电流。 输入功率的突然损失
当一个关闭的开关突然失去输入电源时，就非常有可能产生反向电流。如果开关输出端上的电容大于输入端，那么输出端上的电压将衰减得更慢。这在某种程度上预示着当功率衰减时，开关输出的电压将比输入的电压下降得更慢。在此期间，开关输出电压上的电压将大于输入电压，因此反向电流将流过开关。为了尽最大可能避免这种情况，您应该有一个具有反向电流阻塞的开关，或者输入电容大于输出电容。 在某些系统中，当输入电源下降时，一个超级电容器会保持输出。这有时被称为“最后的喘息”电路，它允许系统安全地断电。为保护任何上游电源或组件，在这里有反向电流保护也是一个好主意。 怎么阻止反向电流？
二极管非常适用于高压、低电流的应用。然而，二极管导致正向电压下降，增加了系统的总功耗，并使电源下降0.6 V至0.8 V。这可能会引起系统效率降低和电池使用寿命缩短。 一个流行的替代方法是使用肖特基二极管。它们有较低的正向电压下降，但更昂贵，并有更高的反向电流泄漏，这可能会导致系统的问题，如供电或电池损坏。 背靠背放置MOSFET
使用背对背的MOSFETs是一个强大的选择，因为当MOSFETs被关闭时，它提供了两个方向上的当前阻塞。与二极管溶液相比，从电源到负载的电压降更低。但是，这个实现在板上占用了一个更大的空间，需要几个组件来构建，如下图5所示。 图5：背靠背MOSFETs的反向电流阻塞。
除了大的解决方案尺寸和材料清单的数量外，该解决方案还使单个MOSFET溶液的电阻增加一倍，而且不提供当MOSFETs被打开时的任何反向电流阻塞。 反向MOSFET保护
如果MOSFET定位为本体二极管从输入到输出，那么当MOSFET关闭（打开）时将不会有反向电流（见图6)。 图6：使用单个MOSFET被禁用的反向电流阻塞。
这种解决方案的缺点是不可能关闭电源，因为在源和负载之间总是有一个二极管路径。这对于二极管ORing是一个更好的状态，但对电源复用则不是这样，因为您在大多数情况下要第一先考虑较低的电压电源，例如当系统的主电源是较低电压，但备用电池是较高电压时。 使用ORing电路，电池将为系统供电，直到电压耗尽到低于主电源电压。一个电源复用电路将防止电池被使用，直到系统决定切换到备用电池。 切换MOSFET本体端子
为了用单个MOSFET阻止反向电流，体端子必须偏置到最高电源或地，具体取决于FET是P沟道还是N沟道。对于分立MOSFET来说，这通常是不可能的，因为通常无法访问体端子。 阻止反向电流的电源开关
负载开关通过切换内部MOSFET的本体端子来集成反向电流阻塞。这使得设备具备了低电阻，同时仍然为供应提供保护。如果负载开关关闭，则反向电流总是阻塞。 有些设备提供始终开启的反向电流阻塞，如果输出电压大于输入电压一定的电压阈值，它将关闭设备。始终开启的反向电流阻塞方案的缺点是，在设备关闭之前，输出电压需要大于输入电压，因此在这发生之前，少数的反向电流将流过设备。图7显示了在启用反向电流阻塞之前通过负载开关的预期反向电流的示例。 图7：全时反向电流保护（VIN = 3.0 V，VOUT从3.0 V上升到3.3 V）
使用eFuse时，由于MOSFET具有更高的电压能力，背对背MOSFET实现最常见。在某些器件中，两个MOSFET都集成到器件中，但在其他器件中，有一个引脚用于驱动外部第二个FET以创建背靠背配置。与负载开关类似，有一些eFuse具有始终开启的反向电流，通过监测VOUT和VIN之间的差异来阻断，而另一些仅在关闭时提供反向电流阻断。 功率多路复用器
集成电源多路复用器安全地处理电源多路复用应用，这样反向电流就不会从一个电源流入另一个电源。当前的功率复用器采用背对背和体端配置，所有功率复用器都具有反向电流阻断功能。 理想二极管
理想的二极管是驱动外部MOSFET的控制器，其体二极管面向电源和负载。这些设备将自动检验测试输入和输出电压差，以始终启用反向电流阻断，同时保持低导通电阻。 结论
功率复用或功率损失等应用有几率会使反向电压事件，从而引发反向电流。这可能会对电源和系统造成损失破坏。TI电源开关是一种尺寸和成本效益都很高的解决方案，有助于防止反向电流造成的损坏。TI电源开关产品组合有各种不一样的规格的反向电流保护器件，使其很适合各种应用。