防止错误插入电池的新方法（上） 正负极, 电池

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作者：飞兆半导体公司 Adrian Mikolajczak 只要是电池供电的系统，就一直存在这个问题： 您错误装入电池，将正负极装反，产生反向极性事件。系统暂时出现故障或永久损坏。 设计为适合其装配的系统的定制电池有助于最大程度减少不正确插入和反向极性的机会，但像AAA型、AA型、C型以及D型单体电池等经过检验而可靠的现成电池，乃至CR123、CR2和钮扣锂电池也很容易出故障。 过去，设计人员使用机械结构来避免与电池端子的电气接触（如果未正确插入电池）。但机械解决方案远不完美。它们通常需要进行特殊加工，因为弹簧触点需要控制良好的机械组件容差，以确保正确插入电池时接触良好，但未正确插入不接触。这些狭小容差可导致长期稳定性问题，因为必需使用的弹簧和触点可能弯曲或出现故障。即使是正常使用，周而复始的正常插入，也可能导致接触疲劳，并且随着时间的推移，限制了可靠性。 但尽管有这些限制，机械解决方案一直存在，因为它们是设计人员可用于防止不正确电池安装的唯一实际方案。设计为防止由反相电池导致的反向极性事件的电气解决方案一直存有争议。 因为正常操作过程中的压降，通常不选择使用串联二极管。使用二极管接地设置也不是一个很好的主意，因为反向极性事件可能导致电池危险放电持续很长时间并使二极管过热。 分立式MOSFET需要复杂的结构，并且可能未经过优化或特定用于以防止反向极性。在反向极性事件过程中评估性能的关键规格可能丢失，并且这可能使设计人员不得不从数据表上的性能特性得出估计值并猜测安全工作时间期，令人担忧。而且，根据MOSFET的应用方式，它们可能需要一个控制器或其他成本高昂的功能。 多功能IC有时配备有可防止反向极性的电路，这通常明显增加了电路的复杂性，因为它们能够在正偏压环境中工作，然后在反向极性模式中工作或不被损坏。因此，多功能IC带来了巨大的性能和/或成本代价。由于性价比权衡，典型实施具有相对有限的反向偏压功能（-2 V或-6 V）。 专用反极性保护器件是防止错误插入电池的有效方法 然而最近，专用反向极性保护器件的出现为设计人员提供了更可行的电气可选方案。专用器件（如由飞兆提供的器件）代表的是可防止反向极性且性价比和性能最高的方法之一，是电池供电系统的极佳选择。 图1. 显示的是使用专用器件防止反向极性的电路。 图1：使用专用器件防止反向极性 此简单设置提供持续可靠的保护。设计需要极小的PCB空间，最大程度地减少了电压损耗，并在反向偏压条件下快速有效地进行响应。 整体成本也不错。串联肖特基二极管通常比专用反向极性保护器件更便宜，但一旦工作电流开始增大，基于肖特基方法的总成本也就开始上扬。出于性价比权衡，专用反向极性保护器件很可能成为最具吸引力的电子方法。 人们会继续在电池上犯些错误，但设计人员防止小意外的方式也很有可能会改变。考虑全面后，专用反向极性保护器件随着时间的推移可能会完全取代复杂的机械解决方案。 反极性形成原因及对此可采取的措施 没有人希望他们的系统出现故障，甚至更严重的起火燃烧。但如果允许反向极性进行破坏，就可能会发生上述情况。 反向极性是稳态反向偏压或负瞬态的结果。这是一种危险的电气状况，一旦系统出厂即很难防止。 反向极性风险是各种常见应用中的实际威胁，包括移动电子、电池供电系统、连接至汽车电源的器件、直流供电的玩具、具有桶插孔连接器的产品，或任何经受负电压热插拔或电感瞬变的DC器件。支持USB连接和/或USB充电的系统尤其易受影响。 下面是反向极性的一些最常见原因： ●使用第三方生产的售后市场充电器或电源 第三方充电器的市场日益增长，但并非所有充电器都设计都具有反向极性防护。在某些情况下，充电器具有反向电气触点或者极性可由用户设置，这就为出错留下了空间。 ●使用USB的“热插拔”功能 总线处于带电状态时能方便地连接或断连移动设备意味着“热插拔”操作正在增加，热插拔瞬变的幅度也是如此。这些电感瞬变可将总线摆动至反向极性条件。尽管这些摆动的时间往往很短，但幅度很大。超过±20 V的电压轨摆幅已在“热插拔”操作中测量到。此瞬变对断开连接的器件和电压轨上的其他器件都可能会产生影响。当充电电流增大时，此问题只会更严重。 ●使用未正确插入的电池 电池供电的系统可能出现故障，这是因为电池未正确插入，其正负极插反。对于AAA型、AA型、C型以及D型单体电池、或CR123、CR2或钮扣锂电池等使用传统外形尺寸的器件来说尤其如此。如果正确插入电池，机械解决方案可防止与电池端子的电气接触，但这些解决方案需要自定义模制并可经受一段时间后的接触疲劳。 ●发展中国家中墙壁插头的使用 世界上还有一些地方的电力基础设施具有较少的保护要求，因此，电源可在线路上向下传输大电压瞬变。室内布线使情况变得更糟。过去，传统白炽灯能有助于吸收和抑制电源线上的瞬态能量，但像LED和CFL等新类型产品没有相同的抑制特性。通过移动至LED和CFL的节能工作可能产生从未遇到过的问题。 ●将器件插入汽车（或飞机、火车等）的电源 在许多情况下，交通供电中的电源适配器包括反向极性保护，但也有例外，特别是在低成本替代产品中。不知情的用户只是将器件插入汽车的打火机插孔中就可能导致反向极性事件，因为他没有意识到打火机插孔可导致器件故障。 由于有太多方式可触发反向极性事件，设计人员务必尽其所能在系统出厂前防止反向极性以免造成损坏。 小于100mA系统中反极性的最佳保护方法 低电流系统 — 即工作电流低于100 mA或200 mA的系统 — 涵盖各种应用，从安全系统和火警报警器到适用于楼宇自动化、公共地址和数据网络的系统。 其中包括许多不同的工作环境，设计人员无法始终预测其系统将以何种方式在何处使用。根据具体情况，系统可能暴露于稳态反向偏压或负瞬变等不良电气条件下，这可能导致反向极性事件并损坏系统。 结果可能如同电气故障那么简单，但如果情况很严重，则可能导致火灾。因此，设计人员增加电路来防止反向极性带来的负面效应并不罕见。 有多种方法可实现这一点，但对于低电流应用，其效率通常较少成为问题。只要系统可耐受功耗并且工作电压压降与各方法相关联，即可使用串联PN或肖特基二极管这两种简单方法来达到目的。 串联PN二极管 如果设计可接受较大的串联压降(±1 V)，或可能有高电压反向瞬变(> 200 V)，那么使用串联PN二极管是个不错的选择。图2提供了设计示例。这是可提供快速阻断、可重置功能和高击穿电压的简单低成本解决方案。 图2：串联二极管方法 此二极管的功耗最少，因此较少需要散热片，且成本较低。只要器件在正常操作或可能的故障条件期间不过热，系统就会正常工作。 即便如此，该解决方案并非适用于每个设计。成本优势很快会随着工作电流的上升而消失。而且，在较高电流下，功耗越大，最终所需的二极管也就越大越昂贵，需要采用导热性更好的封装和散热结构。 此外，在低电压系统中(≤5V)，二极管压降可能需要额外下游升压电路，这就使本来预计为低成本的方法实际上变得很昂贵。 因此，在使用PN二极管方法之前务必记住这几条。 串联肖特基二极管 类似但应用更广泛的方法是使用串联肖特基二极管代替串联PN二极管。该压降更低一点(±0.6 V)而且设计消耗的功率更少。 图3显示的是肖特基二极管的设置。此配置提供出色的阻断、简单的设计导入和低成本。其还可重置并且可能支持相对较高的击穿电压(> 200 V)。 图3：串联肖特基二极管方法 压降较低可减少与传统PN二极管有关的热管理需求，而这可能实现更小且成本更低的封装。 尽管如此，仍需要小心，因为压降对于许多应用来说可能仍过高。而且，尽管肖特基二极管的工作范围比串联PN二极管的广，此方法的最佳应用仍是使用低于200 mA的电流且具有更高电压(>5 V)的应用。 结论 无论采用哪一种方法，都要考虑压降和功耗这两个主要方面。假设这两个参数都在可接受范围内，那么两种方法都能以低成本有效地保护低电流系统，使其免受反向极性事件可能导致的损坏。如果压降或功耗成问题，则可考虑飞兆的FR器件等有源解决方案。

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