防止错误插入电池的新方法
Date：May 5, 2024 Views：269
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。
防止错误插入电池的新方法（电子工程专辑）
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。
“保险丝和TVS”方法也有一些限制。保险丝必须有串联电阻才能起作用，并且如果要提供保护，必须有足够的电阻来激活。这种电阻会使系统产生一些功率损耗，并可能在正常操作中使保险丝发热和热循环。令人遗憾的是，许多采用最低电阻的保险丝技术也最易受疲劳影响。仔细选择正常操作时间更长的保险丝。
在过压事件中，当二极管分流到地面并拉动足够的电流来降低电压电压时，二极管匹配可能是个问题。如果尺寸不合适，二极管可能在未打开保险丝的情况下使电路板过热或在保险丝打开之前二极管可能出现故障。这就可能导致耗电量不足以打开保险丝的下游热事件，并因此而无法达到首先使用保险丝的目的。
如果需要反向偏压重置，则TVS可与正温度系数(PTC)电阻（或热敏电阻）一起使用。但匹配要求更严格并且尺寸增大，因此需要验证反向偏压事件中的系统级保护。
专用反向极性保护器件
添加反向偏压重置的更好方法是使用专用反向极性保护器件（图2）。
防止错误插入电池的新方法（下）（电子工程专辑）
图2. 专用反向极性保护器件方法
由于专用器件专为保护反向偏压或反向极性而设计，因此可将操作功耗保持在极低水平。串联电阻可反映应用需求，并且与使用PTC电阻、保险丝或串联二极管时的情况不同，串联压降不是正常操作的一个需求。
通过利用极低电阻的可能性，您可根据需要最大限度降低功耗和压降。这对效率和器件尺寸很有利，因为优化了封装功耗的需求。静态电流保持在极低的水平。过压保护等额外特性可集成到器件中，从而在最大限度降低其成本的同时进一步实现最大程度的保护。
专用器件因结合了所有这些特性而成为最易实现且性价比最高的方法之一。这也是升级电池供电器件的理想方法，其使用机械解决方案避免因电池安装不当而引起的反向极性。
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。
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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)。
防止错误插入电池的新方法（电子工程专辑）
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。
“保险丝和TVS”方法也有一些限制。保险丝必须有串联电阻才能起作用，并且如果要提供保护，必须有足够的电阻来激活。这种电阻会使系统产生一些功率损耗，并可能在正常操作中使保险丝发热和热循环。令人遗憾的是，许多采用最低电阻的保险丝技术也最易受疲劳影响。仔细选择正常操作时间更长的保险丝。
在过压事件中，当二极管分流到地面并拉动足够的电流来降低电源电压时，二极管匹配可能是个问题。如果尺寸不合适，二极管可能在未打开保险丝的情况下使电路板过热或在保险丝打开之前二极管可能出现故障。这就可能导致耗电量不足以打开保险丝的下游热事件，并因此而无法达到首先使用保险丝的目的。
如果需要反向偏压重置，则TVS可与正温度系数(PTC)电阻（或热敏电阻）一起使用。但匹配要求更严格并且尺寸增大，因此需要验证反向偏压事件中的系统级保护。
专用反向极性保护器件
添加反向偏压重置的更好方法是使用专用反向极性保护器件（图2）。
防止错误插入电池的新方法（下）（电子工程专辑）
图2. 专用反向极性保护器件方法
由于专用器件专为保护反向偏压或反向极性而设计，因此可将操作功耗保持在极低水平。串联电阻可反映应用需求，并且与使用PTC电阻、保险丝或串联二极管时的情况不同，串联压降不是正常操作的一个需求。
通过利用极低电阻的可能性，您可根据需要最大限度降低功耗和压降。这对效率和器件尺寸很有利，因为优化了封装功耗的需求。静态电流保持在极低的水平。过压保护等额外特性可集成到器件中，从而在最大限度降低其成本的同时进一步实现最大程度的保护。
专用器件因结合了所有这些特性而成为最易实现且性价比最高的方法之一。这也是升级电池供电器件的理想方法，其使用机械解决方案避免因电池安装不当而引起的反向极性。
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