只要是電池供電的系統(tǒng)，就一直存在這個(gè)問題： 您錯(cuò)誤裝入電池，將正負(fù)極裝反，產(chǎn)生反向極性事件。系統(tǒng)暫時(shí)出現(xiàn)故障或永久損壞。

設(shè)計(jì)為適合其裝配的系統(tǒng)的定制電池有助于最大程度減少不正確插入和反向極性的機(jī)會(huì)，但像AAA型、AA型、C型以及D型單體電池等經(jīng)過檢驗(yàn)而可靠的現(xiàn)成電池，乃至CR123、CR2和鈕扣鋰電池也很容易出故障。

過去，設(shè)計(jì)人員使用機(jī)械結(jié)構(gòu)來避免與電池端子的電氣接觸（如果未正確插入電池）。但機(jī)械解決方案遠(yuǎn)不完美。它們通常需要進(jìn)行特殊加工，因?yàn)閺椈捎|點(diǎn)需要控制良好的機(jī)械組件容差，以確保正確插入電池時(shí)接觸良好，但未正確插入不接觸。這些狹小容差可導(dǎo)致長(zhǎng)期穩(wěn)定性問題，因?yàn)楸匦枋褂玫膹椈珊陀|點(diǎn)可能彎曲或出現(xiàn)故障。即使是正常使用，周而復(fù)始的正常插入，也可能導(dǎo)致接觸疲勞，并且隨著時(shí)間的推移，限制了可靠性。

但盡管有這些限制，機(jī)械解決方案一直存在，因?yàn)樗鼈兪窃O(shè)計(jì)人員可用于防止不正確電池安裝的唯一實(shí)際方案。設(shè)計(jì)為防止由反相電池導(dǎo)致的反向極性事件的電氣解決方案一直存有爭(zhēng)議。

因?yàn)檎２僮鬟^程中的壓降，通常不選擇使用串聯(lián)二極管。使用二極管接地設(shè)置也不是一個(gè)很好的主意，因?yàn)榉聪驑O性事件可能導(dǎo)致電池危險(xiǎn)放電持續(xù)很長(zhǎng)時(shí)間并使二極管過熱。

分立式MOSFET需要復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，并且可能未經(jīng)過優(yōu)化或特定用于以防止反向極性。在反向極性事件過程中評(píng)估性能的關(guān)鍵規(guī)格可能丟失，并且這可能使設(shè)計(jì)人員不得不從數(shù)據(jù)表上的性能特性得出估計(jì)值并猜測(cè)安全工作時(shí)間期，令人擔(dān)憂。而且，根據(jù)MOSFET的應(yīng)用方式，它們可能需要一個(gè)控制器或其他成本高昂的功能。

多功能IC有時(shí)配備有可防止反向極性的電路，這通常明顯增加了電路的復(fù)雜性，因?yàn)樗鼈兡軌蛟谡珘涵h(huán)境中工作，然后在反向極性模式中工作或不被損壞。因此，多功能IC帶來了巨大的性能和/或成本代價(jià)。由于性價(jià)比權(quán)衡，典型實(shí)施具有相對(duì)有限的反向偏壓功能（-2 V或-6 V）。

專用反極性保護(hù)器件是防止錯(cuò)誤插入電池的有效方法

然而最近，專用反向極性保護(hù)器件的出現(xiàn)為設(shè)計(jì)人員提供了更可行的電氣可選方案。專用器件（如由飛兆提供的器件）代表的是可防止反向極性且性價(jià)比和性能最高的方法之一，是電池供電系統(tǒng)的極佳選擇。

圖1. 顯示的是使用專用器件防止反向極性的電路。

防止錯(cuò)誤插入電池的新方法（電子工程專輯）

圖1：使用專用器件防止反向極性

此簡(jiǎn)單設(shè)置提供持續(xù)可靠的保護(hù)。設(shè)計(jì)需要極小的PCB空間，最大程度地減少了電壓損耗，并在反向偏壓條件下快速有效地進(jìn)行響應(yīng)。

整體成本也不錯(cuò)。串聯(lián)肖特基二極管通常比專用反向極性保護(hù)器件更便宜，但一旦工作電流開始增大，基于肖特基方法的總成本也就開始上揚(yáng)。出于性價(jià)比權(quán)衡，專用反向極性保護(hù)器件很可能成為最具吸引力的電子方法。

人們會(huì)繼續(xù)在電池上犯些錯(cuò)誤，但設(shè)計(jì)人員防止小意外的方式也很有可能會(huì)改變?？紤]全面后，專用反向極性保護(hù)器件隨著時(shí)間的推移可能會(huì)完全取代復(fù)雜的機(jī)械解決方案。

 

“保險(xiǎn)絲和TVS”方法也有一些限制。保險(xiǎn)絲必須有串聯(lián)電阻才能起作用，并且如果要提供保護(hù)，必須有足夠的電阻來激活。這種電阻會(huì)使系統(tǒng)產(chǎn)生一些功率損耗，并可能在正常操作中使保險(xiǎn)絲發(fā)熱和熱循環(huán)。令人遺憾的是，許多采用最低電阻的保險(xiǎn)絲技術(shù)也最易受疲勞影響。仔細(xì)選擇正常操作時(shí)間更長(zhǎng)的保險(xiǎn)絲。

在過壓事件中，當(dāng)二極管分流到地面并拉動(dòng)足夠的電流來降低電壓電壓時(shí)，二極管匹配可能是個(gè)問題。如果尺寸不合適，二極管可能在未打開保險(xiǎn)絲的情況下使電路板過熱或在保險(xiǎn)絲打開之前二極管可能出現(xiàn)故障。這就可能導(dǎo)致耗電量不足以打開保險(xiǎn)絲的下游熱事件，并因此而無法達(dá)到首先使用保險(xiǎn)絲的目的。

如果需要反向偏壓重置，則TVS可與正溫度系數(shù)(PTC)電阻（或熱敏電阻）一起使用。但匹配要求更嚴(yán)格并且尺寸增大，因此需要驗(yàn)證反向偏壓事件中的系統(tǒng)級(jí)保護(hù)。

專用反向極性保護(hù)器件

添加反向偏壓重置的更好方法是使用專用反向極性保護(hù)器件（圖2）。

防止錯(cuò)誤插入電池的新方法（下）（電子工程專輯）

圖2. 專用反向極性保護(hù)器件方法

由于專用器件專為保護(hù)反向偏壓或反向極性而設(shè)計(jì)，因此可將操作功耗保持在極低水平。串聯(lián)電阻可反映應(yīng)用需求，并且與使用PTC電阻、保險(xiǎn)絲或串聯(lián)二極管時(shí)的情況不同，串聯(lián)壓降不是正常操作的一個(gè)需求。

通過利用極低電阻的可能性，您可根據(jù)需要最大限度降低功耗和壓降。這對(duì)效率和器件尺寸很有利，因?yàn)閮?yōu)化了封裝功耗的需求。靜態(tài)電流保持在極低的水平。過壓保護(hù)等額外特性可集成到器件中，從而在最大限度降低其成本的同時(shí)進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)最大程度的保護(hù)。

專用器件因結(jié)合了所有這些特性而成為最易實(shí)現(xiàn)且性價(jià)比最高的方法之一。這也是升級(jí)電池供電器件的理想方法，其使用機(jī)械解決方案避免因電池安裝不當(dāng)而引起的反向極性。

小于100mA系統(tǒng)中反極性的最佳保護(hù)方法

低電流系統(tǒng) — 即工作電流低于100 mA或200 mA的系統(tǒng) — 涵蓋各種應(yīng)用，從安全系統(tǒng)和火警報(bào)警器到適用于樓宇自動(dòng)化、公共地址和數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)。

其中包括許多不同的工作環(huán)境，設(shè)計(jì)人員無法始終預(yù)測(cè)其系統(tǒng)將以何種方式在何處使用。根據(jù)具體情況，系統(tǒng)可能暴露于穩(wěn)態(tài)反向偏壓或負(fù)瞬變等不良電氣條件下，這可能導(dǎo)致反向極性事件并損壞系統(tǒng)。

結(jié)果可能如同電氣故障那么簡(jiǎn)單，但如果情況很嚴(yán)重，則可能導(dǎo)致火災(zāi)。因此，設(shè)計(jì)人員增加電路來防止反向極性帶來的負(fù)面效應(yīng)并不罕見。

有多種方法可實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，但對(duì)于低電流應(yīng)用，其效率通常較少成為問題。只要系統(tǒng)可耐受功耗并且工作電壓壓降與各方法相關(guān)聯(lián)，即可使用串聯(lián)PN或肖特基二極管這兩種簡(jiǎn)單方法來達(dá)到目的。

串聯(lián)PN二極管

如果設(shè)計(jì)可接受較大的串聯(lián)壓降(±1 V)，或可能有高電壓反向瞬變(> 200 V)，那么使用串聯(lián)PN二極管是個(gè)不錯(cuò)的選擇。圖2提供了設(shè)計(jì)示例。這是可提供快速阻斷、可重置功能和高擊穿電壓的簡(jiǎn)單低成本解決方案。

防止錯(cuò)誤插入電池的新方法（電子工程專輯）

圖2：串聯(lián)二極管方法

此二極管的功耗最少，因此較少需要散熱片，且成本較低。只要器件在正常操作或可能的故障條件期間不過熱，系統(tǒng)就會(huì)正常工作。

即便如此，該解決方案并非適用于每個(gè)設(shè)計(jì)。成本優(yōu)勢(shì)很快會(huì)隨著工作電流的上升而消失。而且，在較高電流下，功耗越大，最終所需的二極管也就越大越昂貴，需要采用導(dǎo)熱性更好的封裝和散熱結(jié)構(gòu)。

此外，在低電壓系統(tǒng)中(≤5V)，二極管壓降可能需要額外下游升壓電路，這就使本來預(yù)計(jì)為低成本的方法實(shí)際上變得很昂貴。

因此，在使用PN二極管方法之前務(wù)必記住這幾條。

串聯(lián)肖特基二極管

類似但應(yīng)用更廣泛的方法是使用串聯(lián)肖特基二極管代替串聯(lián)PN二極管。該壓降更低一點(diǎn)(±0.6 V)而且設(shè)計(jì)消耗的功率更少。

圖3顯示的是肖特基二極管的設(shè)置。此配置提供出色的阻斷、簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)導(dǎo)入和低成本。其還可重置并且可能支持相對(duì)較高的擊穿電壓(> 200 V)。

防止錯(cuò)誤插入電池的新方法（電子工程專輯）

圖3：串聯(lián)肖特基二極管方法

壓降較低可減少與傳統(tǒng)PN二極管有關(guān)的熱管理需求，而這可能實(shí)現(xiàn)更小且成本更低的封裝。

盡管如此，仍需要小心，因?yàn)閴航祵?duì)于許多應(yīng)用來說可能仍過高。而且，盡管肖特基二極管的工作范圍比串聯(lián)PN二極管的廣，此方法的最佳應(yīng)用仍是使用低于200 mA的電流且具有更高電壓(>5 V)的應(yīng)用。

結(jié)論

無論采用哪一種方法，都要考慮壓降和功耗這兩個(gè)主要方面。假設(shè)這兩個(gè)參數(shù)都在可接受范圍內(nèi)，那么兩種方法都能以低成本有效地保護(hù)低電流系統(tǒng)，使其免受反向極性事件可能導(dǎo)致的損壞。如果壓降或功耗成問題，則可考慮飛兆的FR器件等有源解決方案。

 

“保險(xiǎn)絲和TVS”方法也有一些限制。保險(xiǎn)絲必須有串聯(lián)電阻才能起作用，并且如果要提供保護(hù)，必須有足夠的電阻來激活。這種電阻會(huì)使系統(tǒng)產(chǎn)生一些功率損耗，并可能在正常操作中使保險(xiǎn)絲發(fā)熱和熱循環(huán)。令人遺憾的是，許多采用最低電阻的保險(xiǎn)絲技術(shù)也最易受疲勞影響。仔細(xì)選擇正常操作時(shí)間更長(zhǎng)的保險(xiǎn)絲。

在過壓事件中，當(dāng)二極管分流到地面并拉動(dòng)足夠的電流來降低電源電壓時(shí)，二極管匹配可能是個(gè)問題。如果尺寸不合適，二極管可能在未打開保險(xiǎn)絲的情況下使電路板過熱或在保險(xiǎn)絲打開之前二極管可能出現(xiàn)故障。這就可能導(dǎo)致耗電量不足以打開保險(xiǎn)絲的下游熱事件，并因此而無法達(dá)到首先使用保險(xiǎn)絲的目的。

如果需要反向偏壓重置，則TVS可與正溫度系數(shù)(PTC)電阻（或熱敏電阻）一起使用。但匹配要求更嚴(yán)格并且尺寸增大，因此需要驗(yàn)證反向偏壓事件中的系統(tǒng)級(jí)保護(hù)。

專用反向極性保護(hù)器件

添加反向偏壓重置的更好方法是使用專用反向極性保護(hù)器件（圖2）。

防止錯(cuò)誤插入電池的新方法（下）（電子工程專輯）

圖2. 專用反向極性保護(hù)器件方法

由于專用器件專為保護(hù)反向偏壓或反向極性而設(shè)計(jì)，因此可將操作功耗保持在極低水平。串聯(lián)電阻可反映應(yīng)用需求，并且與使用PTC電阻、保險(xiǎn)絲或串聯(lián)二極管時(shí)的情況不同，串聯(lián)壓降不是正常操作的一個(gè)需求。

通過利用極低電阻的可能性，您可根據(jù)需要最大限度降低功耗和壓降。這對(duì)效率和器件尺寸很有利，因?yàn)閮?yōu)化了封裝功耗的需求。靜態(tài)電流保持在極低的水平。過壓保護(hù)等額外特性可集成到器件中，從而在最大限度降低其成本的同時(shí)進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)最大程度的保護(hù)。

專用器件因結(jié)合了所有這些特性而成為最易實(shí)現(xiàn)且性價(jià)比最高的方法之一。這也是升級(jí)電池供電器件的理想方法，其使用機(jī)械解決方案避免因電池安裝不當(dāng)而引起的反向極性。