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1、一种软启动与防反接保护电路DOI：10.3969/j.issn.1005-5517.2015.2.018聂剑（1980-），男，工程师，研究方向：电子技术、无线射频系统开发。软启动与防反接保护电路对电子设备有很好的保护作用，由于消费电子客户存在多次开关机的应用场景和输入接反的可能性。但是由于成本与电路设计的复杂性，很多设计中只提供了一种保护电路。本文基于提供全面保护与降低成本、降低设计复杂性的角度，提出一种电路，整合了软启动与防反接保护功能，电路结构简单、占用面积小，以供读者参考。1 软启动电路的作用一般电路设计中都会使用较多的电容来储能、去耦合，在设备上电时会对这些电容进行充电，如果没有限流
2、电路，冲击电流会较大，会导致设备工作异常，甚至损坏。软启动电路的目的是在设备上电初期限制冲击电流的大小，进入稳态后，软启电路的限流作用几乎消失，产生的损耗可以忽略不计。2 软启动电路常见的软启动有以下几种：2.1 热敏电阻软启动电路此方式的软启电路主要用在高电压低电流的电路中，比如：市电输入的设备中全桥整流后储能电容输入处经常采用此种保护电路。电路图见图1其中电阻R1采用负温度系数的热敏电阻，在冷态时电阻较大，当电路上电时，电流流过热敏电阻，热敏电阻起到限制电流的作用，其本身将会消耗一部分电能，转换为热能，随着工作的时间加长，其自身的温度升高，其电阻值将降低，损耗将降低。此电路的优点：电路简单
3、、可靠性高，缺点：有一定的能量消耗。2.2 继电器与电阻组成软启动电路此方式在较早期的电路中应用较广泛，采用此方式的电路对功耗敏感或者工作电流较大，其电路图见图2。其中开关经常使用继电器，继电器J1的导通电阻远小于电阻Rl。此电路中开关的控制需要外加控制信号，通常加一延时逻辑控制电路，当设备上电后，电容Cl通过Rl充电，Cl充满电后，继电器Jl闭合，工作电流主要流经继电器，电阻Rl被旁路，设备开始正常工作。此电路的优点：软启效果较好，能有效防止上电冲击；缺点：电路复杂，成本高，继电器闭合时，可能会出现电弧现象，影响继电器的寿命，对开关设备的次数、频率有限制。2.3 利用增强型MOSFE设计软启
4、动电路利用MOSFE设计的软启动电路也比较常用，利用MOSFET工作区域的变化、内阻的变化，达到限制冲击电流的效果。实际设计分为两种：一种为用N沟道MOSFE设计的软启动电路；另外一种为用P沟道MOSFE设计的软启动电路。下面分别介绍这两种电路。2.3.1 用N沟道MOSFE设计的软启动电路利用N沟道MOSFE设计的软启电路，电路图见图3。工作原理：当输入上电时，由于C1的电压不能突变，输入电压通过Rl对Cl进行充电，充电时间由Rl与Cl共同决定，最终Cl电压达到R2上的分压。Cl上的电压也即是Ql的栅极源极之间（N沟道MOSFET导通条件为栅极电压高于源极电压）的电压，电压是从零开始，Ql的
5、工作状态也即是从截止区到恒阻区，再从恒阻区到饱和区，在恒阻区时能起到很好的软启动作用，最终的饱和区导通电阻很小，其耗散功率可以忽略。利用N沟道MOSFETt软启动比较常见，N沟道MOSFET价格较便宜，此电路的输入与输出的参考地不同（相差很小），实际应用中需要注意。2.3.2 用P沟道MOSFE设计的软启动电路利用P沟道MOSFE设计的软启电路，电路图见图4。工作原理：当输入上电时，由于Cl的电压不能突变，输入电压通过R2对Cl进行充电，充电时间由R2与Cl共同决定，最终Cl电压达到Rl上的分压。Cl上的电压也即是Ql的栅极源极之间（P沟道MOSFET导通条件为栅极电压低于源极电压）的电压，电
6、压是从零开始，Ql的工作状态也即是从截止区到恒阻区，再从恒阻区到饱和区，在恒阻区时能起到很好的软启动作用，最终的饱和区的导通电阻很小，其耗散功率可以忽略。利用P沟道MOSFE设计的软启动电路，输入输出的参考地相同，相同性能的P沟道MOSFET对N沟道的MOSFET勺价格稍高。3 防反接电路的作用由于直流电输入是有极性的，如果用户将电源极性接反时，可能会损坏设备。故在多数的直流输入设备中，均会设计防反接保护电路。4 防反接电路常见防反接电路有以下几种：4.1 二极管防反接保护二极管防反接电路有以下两种：4.1.1 单二极管防反接保护电路此方式的防反接电路应用较广泛，利用二极管单向导通的特性来防反
7、接。主要是在高电压、低电流的电路中，电路图见图5此处使用的二极管D1可以是普通的二极管，但结电压一般在0.7伏左右。如果对效率较敏感，可以使用肖特基二极管，其结电压一般在0.3伏左右，但是价格稍高。此电路的优点是电路极其简单、可靠性高，缺点是耗散功率较大。4.1.2 .二极管桥防反接保护电路此方式是从二极管防反接电路演变而来的，电路图见图6。此电路中利用二极管构成二极管桥堆，输入电压极性无论如何变化，输出电压的极性保持不变，即便是输入电压极性接反，设备也能正常工作。从工作原理看，相当于电源输入的两个极性上均接有防反接二极管，故其比单个二极管防反接电路的效率低，成本稍高。需要注意输入输出的参考地
8、不相同。4.2MOSFE防反接保护电路利用MOSFE设计防反接保护，也分为P沟道与N沟道两种，下面分别介绍：4.2.1 N沟道MOSFE防反接电路利用N沟道MOSFE设计的防反接保护电路，电路图见图7。当输入电压正常接入时，电流从输入正极流入，流经电阻Rl、R2,经过Ql的体二极管流回输入端。Ql栅极源极之间电压即为电阻R2上的分压，选择适当的Rl、R2值，满足Ql饱和导通。当输入电压极性接反时，Ql的体二极管反向截止，由于没有电流回路，栅极源极之间电压无偏置电压，Q1不能导通，输出端无电压输出，设备不工作。需要注意两点：Ql的体二极管参与电阻Rl、R2的分压；输入输出的参考地不相同。4.2.
9、2 P沟道MOSFE防反接电路利用P沟道MOSFE设计的防反接保护电路，电路图见图8。当输入电压正常接入时，电流从输入正极流入，流经Q体二极管，经过R1、R2流回输入端。Ql上栅极源极之间电压即为Rl的分压，选择适当的Rl、R2值，Ql最终工作在饱和状态。当输入极性接反时，由于Ql的体二极管截止，无电流回路，栅极源极之间电压无电压偏置，Ql不能导通。需要注意，Ql的体二极管参与电阻Rl、R2的分压。5 一种软启动与防反接电路实际应用中经常需要同时使用软启动与防反接保护，可以考虑将两种保护电路整合在一起，下面给出一种整合方式供大家参考，分为N沟道MOSFETsP沟道MOSFE两种。5.1 N沟道
10、MOSFE整合N沟道MOSFE整合后的软启动与防反接保护电路，电路图见图9。当输入电压正常接入时，偏置部分电流经过Rl、R2,通过Q2的体二极管回到输入端，R2上的分压即为Ql、Q2的栅极源极间电压，由于C1的作用，栅极源极之间的电压从零开始逐渐升高，Ql、Q2缓慢地进入饱和区，起到软启动的作用。当输入电压反接时，由于Q2的体二极管反向截止，无偏置电流回路，电路不工作，起到防反接保护的作用。可以看出Q2起到防反接保护的作用，Ql起到软启动的作用。需要注意：输入、输出参考地不相同。实际中Ql、Q2可被封装在一起，市面上有较多此类芯片，例如IRL6372PbF,其饱和导通电阻在179mQ,其上消耗
11、的功率可以忽略。5.2 P沟道MOSFE整合P沟道MOSFE整合后的软启动与防反接保护电路，电路图见图10。当输入电压正常接入时，偏置部分电流经过Q2的体二极管，流经Rl、R2回到输入端，Rl上的分压即为Ql、Q2的栅极源极间电压，由于Cl的作用，栅极源极之间的电压从零开始逐渐降低，Ql、Q2缓慢地进入饱和区，起到软启动的作用。当输入电压反接时，由于Q2的体二极管反向截止，无偏置电流回路，电路不工作，起到防反接保护的作用。可以看出Q2起到防反接保护的作用，Ql起到软启动的作用。实际中Ql、Q2可被封装在一起，市面上有较多此类芯片，比如IRF9358PbF,其饱和导通电阻在23.8m,其上消耗的
12、功率可以忽略。上面两种保护电路，从输入输出来看，实际上是完全对称的电路结构，故也可以从输出端输入电压，然后从原输入端输出电压，同时具有同样的保护功能。在应用中需要注意，如果输出端有电池作为负载，可能会出现电池的电压倒灌至输入端，需要考虑对输入端的影响。如果需要实现单向的输入，可以对电路进行修改，下面以双P沟道MOSFET；例进行说明，电路图见图11。在双P沟道MOSFET电路基础上增加一个N沟道的MOSFET作为方向控制，当控制信号来自输入端，则电流方向即为从输入流向输出端，即便是输出有类似电池的负载，电压也不会倒灌至输入端。此电路已在多个产品设计中应用，取得很好的保护效果。6 结论将软启动、防反接保护电路整合在一起，两个MOSFE共用偏置电路，可以简化电路设计，选用封装两个MOSFE的器件，可以有效减小保护电路部分PCB的面积。
