Защита от переполюсовки питания, разные варианты.

 

Есть такой термин у радиоинженеров — «переполюсовка«, означает прикладывание напряжения обратной полярности, относительно нормальной. Ситуация популярная, когда люди подключают устройства и при этом путают полюса, в результате потом долго кусают локти себе и соседям. Что бы такого не было полезно в своих устройствах применять защиту от переполюсовок, они бывают разные, и в этой статье, я уверен, рассмотрены не все. Тема очень важная в практическом применении, а посему настоятельно рекомендуется применять на практике защиту от переполюсовок. В статье будут упомянуты самые популярные и рекомендуемые варианты включения,  сделан кратчайший и поверхностный обзор. Ну что, давайте посмотрим что нам доступно ;)

Предисловие: На здешнем форуме уже было обсуждение «Защита от переполюсовки питания«. Но так как форумы читают не все, то я решил на основании той дискуссии, написать статью вблоге, в которой можно рассмотреть несколько популярных способов защита от переполюсовки подаваемого напряжения питания на устройства, как стационарное так же и портативное.

 

Вариант 1) — Последовательно включенный диод.

Самый классический вариант защиты от обратного подключения к источнику питания, это включенный последовательно диод, как на схеме. Данный вариант на столько классический, что иногда его ставят в схему не задумываясь, и часто бывают правы, но эта правота присутствует не всегда. Полезно знать что в зависимости от типа диода, на нем падает от 0.2В(диод Шотки) до 0.8В(обычный диод), соответственно в зависимости от пропускаемого тока и разные падения напряжения и разные тепловые потери.

И естественно, если речь идет о портативных устройствах, так как тут такая схема не совсем логична.
При токе в 0,1..1А на диоде упадет около 0,8В для простого диода, и 0,2В для Шотки, и если  к примеру, критичное значение порога питание 2,6 В, и устройство работает от 2 пальчиковых батереек, то перестанет работать портативное устройство уже на значении батареек/аккумуляторов в 2,8В(1.4В на каждом) даже при Шотках. А это скажем мягко, еще нормальный уровень заряда. Ну с аккумуляторами там вообще 1.25 номинальное напряжение…. Так что — не всегда разумно применять диоды в портативных устройствах для защиты.

Вывод: Просто — Да, Разумно — Нет, Надежно — Да.

Читать далее…

Вариант 2) -Диодный мост.

В принципе тут ситуация схожая с Вариант-1). Но есть незначительный выигрыш, если учитывать что устройство должно работать не зависимо от включения.

Вывод: Просто — Да, Разумно — Нет/Иногда, Надежно — Да.

 

Вариант 3) — Использование предохранителя с обратно зашунтированным диодом.

В этой схеме при подачи питания с обратной полюсовкой, просто на просто сгорит предохранитель. С точки зрения удобства, идеальный случай если предохранитель будет само-восстанавливающимся. Но тут есть одно весёлое — НО! Узкое место в этой схеме то, что у предохранителя есть время срабатывания и… Что делать же если устройство успеет выйти из строя в тот момент времени пока предохранитель там себе плавится? Ну и теперь о занимаемой площади на плате, предохранитель, да + помощьнее диод, место съедено…

Вывод: Просто — Да, Разумно — Да, Надежно — Нет.

 

Вариант 4) — Использование полевых транзисторов.

Вот такая простенькая схема на копеечном полевом транзисторе или MOSFETе защитит любое устройство от переплюсовки. Полевики(MOSFET) имеют сопротивление десятки и даже единицы миллиОм!, в открытом состоянии, и в закрытом еденицы и даже десятки МегаОм! При их открытом состоянии и при токе в 1А на них будет падение напряжения единицы и десятки милливольт, зависимо от тока.
В принципе такую «защиту от дурака» делать ни чуть не сложнее чем в варианте 1), и производители могут встраивать в любое устройство, но они этого не по странной причине делают. Может им выгодней когда защиты нет? (шутка) :)

Сразу нужно заметить что полевые транзисторы должны быть выбраны с запасом тока и напряжения минимум в 3-5 раз. Так как при включении все емкости по питанию создадут большой бросок тока импульсом. Выгода этой схемы в том, что у полевик(MOSFET) всегда открыт при правильно поданном напряжении и закрыт при неправельной полюсовки. Как известно у полевика в открытом состоянии сопротивление 0,01..1 Ом. Иными словами в открытом состоянии падение напряжение на нем достаточно низкое. Например: если питание 5В и потребление 0,1А, то падение на сток-исток поливика (например в открытом состоянии 0,1 Ом) будет около 0,1А*0,1Ом=0,01Вольт. Мощность выделяемая на транзистор P=(I^2)*R => 0.01*0.1 => 0.001W.
В то время как на защите через диод (Вариант-1) ) будет 0,15-0,7Вольт в зависимости от диода.

Крайне выгодна эта схема включения при использовании элементов питания в портативных устройствах, где крайне желательно с установленных химических элементов вытянуть всё, до последнего миллиампера их емкости. Особенно если это NiMH аккумуляторы. Есть заблуждение что такие транзисторы легко пробиваются статикой, и надо заметить что это зависит от типа транзистора и технологий его изготовления. В любом случае вам ни кто не вешает использовать 1-10МОм резистор перед транзистором, как шунт от статики, хотя достаточно и конденсатора, его внутреннее сопротивление как раз 1-10МОм.

Вот участок схемы с моего текущего разрабатываемого устройства…

Как видите ничего сложного нет. Главное не забывать ещё, что внутри многих MOSFETов стоят диоды между сток-истоком. ;)

Вывод: Просто — Да, Разумно — Да, Надежно — Да.

PS: на скорую руку вот список MOSFET транзисторов, по критерию цена & доступность:

Слабый P-канальник
BSS84LT1 — I=0.13A, Rds=~10Ом,Vds=-30V, Vgs.max=+/-20V, Ugs=0.9..2.0В — Цена ~0.5грн
IRLML6302 — I=0.8A, Rds=~0.6Ом,Vds=-20V, Vgs.max=+/-12V, Ugs=0.7..1.5В — Цена ~0.8грн

Слабый N-канальник
BSS123 — I=0.17A, Rds=~6Ом,Vds=100V, Vgs.max=+/-20V, Ugs=0.8..2.0В — Цена ~0.4грн
BSS138 — I=0.22A, Rds=~3.5Ом,Vds=50V, Vgs.max=+/-20V, Ugs=0.8..1.5В — Цена ~0.5грн

Мощный P-канальник
IRLML5203 — I=-3A, Rds=~0.1Ома,Vds=-30V, Vgs.max=+/-20V, Ugs=0.4..0.95В — Цена ~1.2грн
IRLML6402 — I=-3.7A, Rds=~0.065Ома, Vds=-20V, Vgs.max=+/-20V, Ugs=0.4..1.2В — Цена ~1.0грн
IRLML9301 — I=-3.6A, Rds=~0.064Ома, Vds=-30V, Vgs.max=+/-20V, Ugs=1.3..2.4В — Цена ~1.3грн
IRLML9301 — I=-3.6A, Rds=~0.064Ома, Vds=-30V, Vgs.max=+/-20V, Ugs=1.3..2.4В — Цена ~1.3грн
IRLML9303 — I=-2.3A, Rds=~0.17Ома, Vds=-30V, Vgs.max=+/-20V, Ugs=1.3..2.3В — Цена ~1.3грн

Мощный N-канальник
IRLML6244 — I=6A, Rds=~0.025Ома, Vds=20V, Vgs.max=+/-12V, Ugs=0.1..1.1В — Цена ~0.8грн
IRLML2502 — I=4A, Rds=~0.045Ома, Vds=20V, Vgs.max=+/-12V, Ugs=0.6..1.2В — Цена ~1.0грн
IRLML2030 — I=2.7A, Rds=~0.1Ома, Vds=30V, Vgs.max=+/-20V, Ugs=1.3..2.3В — Цена ~1.0грн
IRLML2060 — I=1.2A, Rds=~0.48Ома, Vds=60V, Vgs.max=+/-16V, Ugs=1..2.5В — Цена ~0.8грн
IRLML0030 — I=5.3A, Rds=~0.027Ома, Vds=30V, Vgs.max=+/-20V, Ugs=1.3..2.3В — Цена ~1.3грн
IRLML0040 — I=3.6A, Rds=~0.056Ома, Vds=40V, Vgs.max=+/-16V, Ugs=1.0..2.5В — Цена ~1.3грн
IRLML0060 — I=2.7A, Rds=~0.096Ома, Vds=60V, Vgs.max=+/-16V, Ugs=1.0..2.5В — Цена ~1.3грн

 

Ну и теперь особо интересный исследовательский документ на эту тему от фирмы IR. — dt94-8

MOS_MOSFET__DoubleBatteryLife

…и вырезка с него с Правильной схемой включения!

Как видно, вариант использования этой схемы намного более выгодный чем просто применение диода.

 

Заключение:
МОП ПТ с низким порогом и малым сопротивлением включения может применяться для защиты нагрузки от обратной полярности. По сравнению со стандартным Диодом Шотки эти новые приборы продлевают срок работы батареи как минимум в 3.4 раза. Так как n.канальный МОП ПТ имеет более низкое сопротивление включения, чем р.канальный. то он обеспечивает лучшее функционирование. В тех применениях, которые не допускают падения напряжения в общей шине, более подходит р.канальный МОП ПТ.

 

 

PS: Еще бывают защиты другого рода, например защита от перенапряжения и от тока… но то уже чуть другое. ;)

PPS: Вот еще полезная ссылка с исследованием аналогичного вопроса от Texas Instruments(2012).

32 комментария

  1. Позвольте еще уточнение? Вариант 4) – Использование полевых транзисторов.

    Это очень интересное решение.
    Но, как правильно Вами сказано, «Главное не забывать ещё, что внутри многих MOSFETов стоят диоды между сток-истоком».

    Именно эти обратные диоды и сводят на «нет» всю красоту этого варианта и никакой защиты от переполюсовки не получится?
    А значит mosfet’ы использовать никак нельзя, в частности такие mosfet’ы использованы в Вашей схеме.

    • Позвольте не согласиться, сказанное Вами верно лишь от части…
      Дело в том, что нужно транзисторы ставить таким образом, чтобы внутренний диод был обратно включен относительно прикладываемого потенциала. Т.е., при использовании MOSFETа в разрыве «+» диод должен смотреть катодом на исток питания и анодом в нагрузку. А вот если наоборот, то Вы правы. Это просто необходимо использовать правильную схему включения транзистора. Соответственно такое же правило должно срабатывать и при использовании MOSFETа в разрыве потенциала «-«.
      Частный случай рабочей схемы вы можете посмотреть по ссылке — http://www.uschema.com/safe_power_switch/. (я её использовал)

  2. Попробую еще раз объясниться, может я что не так понимаю :-))

    Если на схему приложена правильная полярность питания, то обратный диод mosfet’a «заперт» и всё работает, а вот если полярность перепутана (см. тему Вашей статьи), то он «прямосмещен», «открыт», «проводит ток», и т.п. И где же тут защита от переполюсовки?
    А вот схема http://www.uschema.com/safe_power_switch изначально предполагает правильную полярность, сообственно для этого там и стоит диодный мост.

    З.Ы. Извиняюсь за занудство, больше не буду 🙂

    • Ваше «занудство» пошло на благо. Спасибо.
      По чаще так «занудствуйте».
      Внес в статью дополнение, и прицепил PDF, с исследованиями в этом направлении.

      PS
      рисованные схемы-картинки исправлю потом.

  3. «Но тут есть одно весёлое – НО!
    Узкое место в этой схеме то, что у
    предохранителя есть время срабатывания и…
    Что делать же если устройство успеет выйти из
    строя в тот момент времени пока предохранитель
    там себе плавится?»

    Пока предохранитель будет плавиться, напряжение просядет до 0.

    • Лично, в своей практике в ремонтных мастерских, неоднократно встречал случаи когда «правильно рассчитанный» предохранитель оставался целым 🙂
      Так что можно сказать что предохранитель это защита с вероятностью 🙂

    • Если верить теории, то само по себе наличие резистора не обязательно, это же полевик, реагирующий на потенциал, а не на ток. Мне лично, приходилось проверять первую схему, на базе P-канала, и там в схеме должен был быть резистор. И кстати, да, я вторую схему (с N-каналом) не пробовал еще ни разу.
      Всё дело в том, что мне не нравится сама мысль разрывать землю, по этому я всегда закладываю первую схему с P-каналом.
      С учетом того что в схеме с N-каналом диод технологический внутри, схема несколько вызывает сомнение у меня тоже давно, все руки не дошли проверить. А с учетом того что он запирается положительным потенциалом, то смотря на схему явно тут видно что это опечатка.
      Постом выше я приводил ссылку — http://www.ti.com/lit/an/slva139/slva139.pdf — там другое включение, как вы и написали. Спасибо за комментарий. Исправил, сейчас по идее все правильно.

  4. Уважаемый prst! Спасибо за Ваш ответ! Однако, меня как раз резистор не смущал.
    В схеме, на которую я ссылался, а также в Вашем pdf-е, питание подано на полевой транзистор на сток (drain), а на Вашей схеме — исток (source)…

  5. Уважаемый prst!
    Не могли бы Вы осветить также вопрос потерь мощности, вызванных наличием различных схем защиты. А то вот я собрал схему с мосфетом, померил и увидел, что на нем падает почти 1,5 Вт!

    • Я последний раз подобную схему тестировал на IRLML5103, 4года назад было. У IRLML5103 заявлено в даташите Rоткр=0.6 Ом, так как вспомнить щас не могу, то можно подсчитать. В моем случае потребление было порядка 0.3А при приложеных 15В, таким образом получается на транзисторе было падение напряжения около 0.18В(хотя чтото вспоминается цифра 0,22В), ну или рассеивающаяся на трензисторе мощность P=(I^2)*R=0,054W.

      • У меня 2SJ449, сопротивление 0,8Ом макс. Ток в схеме 2.2А. Итого получается 2,2*2,2*0,8=3,9 Ватт! При том, что полезная нагрузка съедает 20 Ватт, это будет прирост расхода в 20%. При работе от батарей очень и очень существенная разница!

        Собрал в тех же условиях схему с обратно включенным диодом и предохранителем. Тут потерь на ток нет.

        Получается, вопрос в быстродействии. Насколько различается время срабатывания этих схем?

        Тут возникает желание оформить материал Вашей статьи в виде таблицы. С колонками: габариты, надежность, быстродействие, энергопотребление…

        • Хм, весьма любопытно. Мне кажется что транзистор с 0.8А в открытом состоянии это не хорошо, нужно другой транзистор явно, так как ток большой. Закон ома то един 😉 Я буду очень вам благодарен, если вы напишите тут свои результаты и варианты с схемами, хотя было бы идеально если бы вообще написали целую статью с всеми своими эксперементами на эту тему и наработками с умозаключениями, было бы очень полезно.
          Кстати вы можете смело сами написать статью тут и разместить, от меня нужно будет только модераторское подтверждение однократно ;).
          На счет обратно включенного транзистора, мои измерения что я писал выше так и были на такой схеме — http://www.uschema.com/safe_power_switch.

            • Я в статье предлагал транзисторы которые я искал по параметрам, может что у вас в продаже и будет.
              Мощный N-канальник
              IRLML6244 – I=6A, Rds=~0.025Ома, Vds=20V, Vgs.max=+/-12V, Ugs=0.1..1.1В – Цена ~0.8грн
              IRLML2502 – I=4A, Rds=~0.045Ома, Vds=20V, Vgs.max=+/-12V, Ugs=0.6..1.2В – Цена ~1.0грн
              IRLML2060 – I=1.2A, Rds=~0.48Ома, Vds=60V, Vgs.max=+/-16V, Ugs=1..2.5В – Цена ~0.8грн
              IRLML0030 – I=5.3A, Rds=~0.027Ома, Vds=30V, Vgs.max=+/-20V, Ugs=1.3..2.3В – Цена ~1.3грн
              Мощный P-канальник
              IRLML5203 – I=3A, Rds=~0.1Ома,Vds=-30V, Vgs.max=+/-20V, Ugs=0.4..0.95В – Цена ~1.2грн
              IRLML9301 – I=3.6A, Rds=~0.064Ома, Vds=-30V, Vgs.max=+/-20V, Ugs=1.3..2.4В – Цена ~1.3грн

              Имхо под ваши 3А замечательным выглядит IRLML0030 – I=5.3A, Rds=~0.027Ома, Vds=30V, Vgs.max=+/-20V, Ugs=1.3..2.3В – Цена ~1.3грн

              • Спасибо за подсказки, но я, прошу прощения, не сказал одно из условий — мне бы хотелось иметь более-менее крупный корпус, а габаритный размер в 2 мм…это слишком круто. Я не специалист, поэтому ориентировался на что-то типа ТО220.
                Поэтому подобрал IRFU5505PBF. Копирую характеристики с сайта магазина: «MOSFET, P, -55V, -18A, I-PAK; Transistor Type:MOSFET; Transistor Polarity:P; Voltage, Vds Typ:-55V; Current, Id Cont:18A; Resistance, Rds On:0.11ohm; Voltage, Vgs Rds on Measurement:-10V; Voltage, Vgs th Typ:-4V; Case Style:I-PAK; Termination Type:Through Hole; Case Style, Alternate:I-PAK; Current, Idm Pulse:64A; Power Dissipation:57W; Power, Pd:57W; Resistance, Rds on @ Vgs = 10V:110ohm; Thermal Resistance, Junction to Case A:2.2°C/W; Time, t Off:16ns; Time, t On:28ns; Voltage, Vds Max:55V»

                Итого — сопротивление 0,11Ом, не 0,027, правда, но в 8 раз лучше, чем выбранный мной первоначально вариант!

                Еще раз спасибо за подсказки!

    • Vds — напряжение сток-исток
      Vgs.max — напряжение затвор-исток, макс
      Ugs — напряжение затвор-исток
      Rds — сопростивление сток-исток
      отпимального нет, чем меньше Rds тем лучше, главное чтоб напряжение у транзистора было с 2-3х кратным запасом Ugs и Vgs.max

  6. Автор, и ответь пожалуйста, ты используешь в своей схеме устройства питание от USB, где 5В, вроде USB2_5V обозначается, для чего ты там ставишь мосфет? Этим ты заменяешь предохранитель?

Добавить комментарий