电源线接反了也不会烧坏电路

引言：通常我们的电子产品，供电一般只有两根线，电源正极（红线）与负极（黑线），通常负极为GND。为了防止用户将正负极接反，电源接口都会做防呆处理，比如接口做成梯形或者开个缺口，反了不容易插进:

但你真的永远不知道你的产品用户是小白还是萌妹还是欧巴桑，最终，这些防接反设计还是被突破了，被暴力插了进去…插进去了…对于一些工控类产品，更是只提供接线端子的方式，虽然在外壳和端子上有标识出正负极，但总难免会出现粗心大意的时候。

要是电路中有一些精密昂贵的芯片，因为电源接线错误导致烧坏可就得不偿失了。

所以，还有没有其他更加“智能”防反接的办法？

答案肯定的。

为了更大限度的保护我们的产品，我们会在PCB的电源输入部分设计极性防接反保护电路。让用户在插反时也不至于烧电路。

一、电源防反接的意义：

电源反接是指将电源正负接反，电路不能正常工作，甚至烧坏其中的关键元器件。通常我们使用一些防呆的连接器/座子来防止插反，如果像是排针等，或者做线线序不按常规设计（比如不按常规黑线供电，红线接地），或者插拔百十次很难保证没有那么一两次不会插反，如果加之使用的元器件比较昂贵，所以研究防反接电路就变得很有必要了。我们在设计中加入保护电路，达到即使接反电源，也不会损坏的目的。

二、电源防反接电路

一般可以使用在电源的正极串入一个二极管解决，不过，由于二极管有压降，会给电路造成不必要的损耗，尤其是电池供电场合，本来电池电压就3.7V，使用二极管降了0.7V，试想如果工作电流为1A，那么在二极管上损耗的就有0.7W，使得电池使用时间大减。改良电路可以使用肖特基二极管SBD。

MOS管防反接，优点就是DS之间导通压降小，小到几乎可以忽略不计。现在的MOS管Rds可以做到几十毫欧级甚至几豪欧级别的内阻，比如是50毫欧，通过的电流为1A，在MOS管上面的压降只有50毫伏（远小于体二极管压降）。

由于MOS管越来越便宜，所以各类产品设计中逐渐开始使用MOS管防电源反接。

下面依次对各个电路做一个介绍。

使用二极管

二极管防反接利用的是二极管单向导通的原理，图中使用的是肖特基二极管。反接时因为二极管截止电流无法形成回流导致电路将无法工作。

该电路简单，缺点是二极管压降0.7V，如果流过电流1A，将产生0.7W的功耗，不太适用于对功耗有要求的场合。

2. 使用NMOS管防反接电路

以图中NMOS型号为AO3400为例，从规格书中可以看出AO3400的导通阈值Vth为0.5V~1.2V，典型值为0.7V。Rds为50毫欧（Rds为D级和S级之间的电阻）。为了便于分析电路的具体工作情况，假设供电为5V（其他电压，如3.3V/12V/24V供电分析类似）

1. 当插座J7的PIN1接入电源正极，PIN2接入电源负极时，通电开始因为MOS管内体二极管导通，源级电压Vs=0.7V，Vgs=Vg-Vs=5V-0.7V>Vth，NMOS管导通，Vs与Vd形成通路，电路正常工作。体二极管因为ds导通被旁路，源级电压Vs=Rds*I（I为流通的电流大小，Rds为D级和S级之间的电阻）

补充旁路的含义：就好比一个1K的电阻，并联了一个10R的电阻，如果接入电压5V，那么流过1K电阻的电流为1mA，流过10R电阻的电流为500mA，由此可以看出电流将主要通过低电阻流通。

2. 当插座J7的PIN1接入电源负极，PIN2接入电源正极时，源级因为体二极管截止，Vgs=0V <Vth，NMOS管截止，Vs与Vd断路，电路未形成回流，无法正常工作。

3. 使用PMOS管

以图中PMOS型号为AO3401为例，从规格书中可以看出AO3401的导通阈值Vth为-0.5V到-1.4V，典型值为-0.7V。Rds为60毫欧

1. 当插座J5的PIN1接入电源正极，PIN2接入电源负极时，一开始Vs因为MOS管内部体二极管导通Vs=Vd-0.7，Vg=0V那么Vgs=Vg-Vs=0-Vd+0.7=-4.3V <Vth（-0.7V），PMOS管导通，Vd与Vs进一步形成通路，电路正常工作。此时体二极管被漏-源级DS导通而旁路，Vds的压降为Rds*I(I为流过的电流值)，AO3401的Rds约为60mΩ，假设流过的电流为1A那么Vds压降为60mV，这个值非常小，要求不敏感场合，可以近似认为MOS管基本上没有损耗。

2. 当插座J5的PIN1接入电源负极，PIN2接入电源正极时，Vgs>Vth，PMOS管截止，Vd与Vs断路，电路未形成回流，无法正常工作。

因为NMOS管Rds一般小于PMOS管的Rds，从这个角度看NMOS防反接电路优于PMOS防反接电路。

三：正反可用的电路

本专栏名为物联网智能硬件，可是硬件“智能”在何处？

于是有人提出疑问了：能否实现不管正接还是反接都可以正常工作？

答案是肯定的，电路图如下：

使用肖特基二极管搭的整流桥电路可以使电源不管正接还是反接都可以正常工作。

但是该电路，与文首介绍的电路都存在二极管有功耗的问题。

我们仔细分析二极管整流桥电路可以发现，电路工作时，总是有2个二极管正向导通，另外2个二极管反向截止。而我们知道MOS管也能工作于两个开关状态：导通和截止。所以问题又来了：

可以用MOS管替换整流桥中的二极管，设计一个电源正接可以正常工作，要是电源反接也可以正常工作的电路？

Yep~~

使用MOS管搭建的正反接电路如下：

该电路主要由2个PMOS和2个NMOS构成“类似”H桥的电路。电路左右两端为输入端，上下两端为输出端。

1. 左边接正级，右边接负级：

右下角 NMOS管Q13栅级Vg为正，Vs为负，Vgs＞Vth，NMOS管导通，VOUT－接近右边负级电平。

右上角PMOS管Vgs为0＞Vth，PMOS管截止。

左上角PMOS管Vgs为负＜Vth，PMOS管导通，VOUT＋接近左边正级电平。

左下角NMOS管Vgs为0＜Vth，NMOS管截止。

两个电阻的作用使电路更趋于稳态。

2. 左边接负级，右边接正级：

分析同理。

由此可以看出不管正反如何接，VOUT+输出都为正，VOUT-输出都为负。值得说明的是该电路也可应用于电池充电，VOUT+接充电芯片正输出端，VOUT-接充电芯片负输出端，不管电池正极接左边还是右边都可以给电池正常充电。

补充内容：

1. NMOS管导通条件（注意Vth为正压）：

1.1 Vgs＞Vth，NMOS管导通，等效于开关闭合；

VIN=5V，Vgs=5V， Vth=0.7V，5V>0.7V，即Vgs>Vth，NMOS导通。

1.2 Vgs＜Vth，NMOS管截止，等效于开关断开。

VIN=0V，Vgs=0V， Vth=0.7V，0V<0.9V，即Vgs<Vth，NMOS截止。

2. PMOS管导通条件（注意Vth为负压）：

2.1 Vgs＞Vth，PMOS管截止，等效于开关断开；

VIN=5V，Vgs=0V， Vth=-0.7V，0V>-0.7V，即Vgs>Vth，PMOS截止。

2.2 Vgs＜Vth，PMOS管导通，等效于开关闭合。

VIN=5V，Vgs=-5V， Vth=-0.7V，-5<-0.7V，即Vgs<Vth，PMOS导通。

基本数学知识举例：

5V＞0.7V

0V＜0.7V

0V＞－0.7V

－5V＜－0.7V

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