Перейти к содержанию

Защита от переполюсовки питания

От обратной полярности защищают последовательным диодом, предохранителем с диодом поперёк входа, MOSFET в плюсовом или минусовом проводе или контроллером идеального диода. Различаются они потерями: при токе 2 А — до 2,4 Вт на выпрямительном диоде и около десятой доли ватта на MOSFET.

Обновлено Редакция GAW

Содержание

Переполюсовка — подключение питания с перепутанными плюсом и минусом. Внутренние диоды защиты от статики у микроконтроллеров и DC/DC-преобразователей оказываются включены в прямом направлении, через них идёт большой ток, а электролитические конденсаторы получают обратное напряжение (TI, SLVAE57, разд. 2). Защита ставится на входе и выбирается по одному главному критерию — сколько она теряет в рабочем режиме. Как общие меры защиты входа складываются в цепочку, разобрано в статье «Защита входа питания».

Коротко

Диод
P = UF · I; Шоттки — вдвое меньше потерь, чем выпрямительный
MOSFET
P = I² · RDS(on): десятые доли ватта при 2 А
Направление
встроенный диод MOSFET проводит в рабочем направлении
Затвор
VGS ограничивают стабилитроном, если питание выше предела
Идеальный диод
LM74700-Q1: 20 мВ на MOSFET, отключение за 0,75 мкс

Последовательный диод

Самая простая защита — диод последовательно с плюсом питания (TI, SLVA139). При правильной полярности он открыт, при обратной заперт. Плата за простоту — прямое падение: оно уменьшает напряжение на нагрузке и превращается в тепло:

P=UF⋅I.P = U_F \cdot I.

Диод Шоттки теряет примерно вдвое меньше выпрямительного, но у него есть особенность: обратный ток растёт с нагревом. У SS34 он до 0,5 мА при 25 °C и до 20 мА при 100 °C (Vishay, doc. 88751) — при переполюсовке горячий диод рассеивает уже заметную мощность. TI отмечает это как один из недостатков Шоттки во входных цепях (SLVAE57, разд. 2.1).

Диод выбирают по трём параметрам: средний прямой ток с запасом над током нагрузки, обратное напряжение выше максимального питания и падение при рабочем токе. Типичная ошибка — 1N5819 на ток 2 А: он рассчитан на средний прямой ток 1 А (Vishay, doc. 88525). Падение 0,9 В при 3,1 А в его даташите, как и все значения UF в таблицах Vishay для SS34 и 1N5400, измерено короткими импульсами 300 мкс со скважностью 1 % и не означает, что такой ток допустим длительно.

Предохранитель и диод поперёк входа

Диод можно включить не последовательно, а параллельно входу — катодом к плюсу, после предохранителя. В рабочем режиме он заперт и ничего не теряет. При обратной полярности диод открывается, замыкает источник, ток короткого замыкания пережигает предохранитель.

Защита от переполюсовки предохранителем и параллельным диодомПлюс источника через предохранитель F1 подключён к нагрузке. После предохранителя между плюсом и минусом включён диод VD1: катод к плюсу, анод к минусу. При правильной полярности диод заперт и не влияет на работу. При обратной полярности диод открывается, через него и предохранитель течёт ток короткого замыкания, предохранитель перегорает, а нагрузка видит лишь обратное падение на диоде.+U питF1VD1Нагрузка−U питобратная полярность: ток через VD1 и F1
Предохранитель и диод поперёк входа: при правильной полярности диод заперт, при обратной — замыкает источник, и предохранитель перегорает

Условия, при которых схема работает:

  • Источник способен пережечь предохранитель. Лабораторный блок с ограничением тока 1 А предохранитель на 3 А не пережжёт: диод будет длительно проводить ток ограничения, и он должен это выдерживать.
  • Диод переживает ток до срабатывания. У 1N5400 ударный ток 200 А за полупериод 8,3 мс (Vishay, doc. 88516); быстрый SF-1206F300 при 30 А плавится за доли миллисекунды — его I²t плавления 0,501 А²·с (Bourns, SF-1206F).
  • Разрывная способность предохранителя больше тока короткого замыкания источника. У SF-1206F300 — 50 А при 32 В. От автомобильного аккумулятора, способного дать сотни ампер, нужен предохранитель другого класса.
  • Нагрузка переносит обратное падение на диоде. На время срабатывания на шине −UF. Vishay предупреждает, что у большинства КМОП-микросхем очень плохая стойкость к обратному напряжению, а затворы MOSFET слабы уже при −1 В (doc. 88490); для них лучше схемы, которые просто размыкают цепь.

P-канальный MOSFET в плюсовом проводе

Диод заменяют P-канальным MOSFET, у которого встроенный диод направлен так же, как был бы направлен защитный (SLVA139, SLVAE57 разд. 4.1): сток к источнику, исток к нагрузке, затвор через резистор к общему проводу. При включении ток сначала идёт через встроенный диод, исток поднимается почти до напряжения питания, затвор остаётся у земли — VGS ≈ −Uпит, канал открывается и шунтирует диод. При обратной полярности VGS положительное, транзистор заперт, его диод тоже.

Защита от переполюсовки на P-канальном MOSFETПлюс источника подключён к стоку P-канального MOSFET, исток идёт к нагрузке. Затвор через резистор соединён с общим проводом, между затвором и истоком стабилитрон: катод к истоку. При правильной полярности ток сначала идёт через встроенный диод, затвор оказывается ниже истока на напряжение питания, канал открывается и шунтирует диод. При обратной полярности напряжение затвор — исток положительное, канал закрыт, встроенный диод заперт, ток не течёт.+U питVT1НагрузкаR1VD1U ЗИ ≈ −U пит: канал открытстабилитрон VD1 ограничивает U ЗИ
P-канальный MOSFET в плюсовом проводе: при правильной полярности канал открыт и шунтирует встроенный диод, при обратной транзистор и диод заперты

Вместо падения на диоде остаётся U = I · RDS(on), а мощность — P = I2 · RDS(on). Сопротивление канала в даташите указано при определённом VGS, поэтому транзистор выбирают так, чтобы при минимальном питании он был открыт полностью: у AO3401A RDS(on) нормирован при −10, −4,5 и −2,5 В (до 50, 60 и 85 мОм), у IRF9540 — только при −10 В.

Вторая граница — допустимое напряжение затвор — исток. У AO3401A это ±12 В: при питании 12 В транзистор уже на пределе, а любой выброс его превышает. Поэтому между затвором и истоком ставят стабилитрон катодом к истоку, а резистор в цепи затвора ограничивает его ток. С BZX84C10 (9,4–10,6 В, onsemi) на затворе AO3401A остаётся около −10 В — режим, при котором нормировано сопротивление 50 мОм. У IRF9540 предел ±20 В, и при 12 В стабилитрон не обязателен, но при 24 В он нужен.

N-канальный MOSFET в минусовом проводе

Та же идея в обратном проводе: N-канальный транзистор стоком к минусу источника, истоком к минусу нагрузки, затвор через резистор к плюсу, стабилитрон — между затвором и истоком (SLVA139, SLVAE57 разд. 4.4). Встроенный диод N-канального транзистора направлен от истока к стоку, и при таком включении он проводит рабочий ток. Правило одно для обеих схем: источник питания подключают к стоку. Логический IRLZ44 в такой схеме даёт до 28 мОм при VGS = 5 В.

Защита от переполюсовки N-канальным MOSFET в минусовом проводеПлюс источника подключён к нагрузке напрямую. Минусовый вывод нагрузки подключён к истоку N-канального MOSFET, сток — к минусу источника, так что встроенный диод проводит рабочий ток. Затвор через резистор R1 соединён с плюсом, между затвором и истоком стабилитрон VD1: катод к затвору, анод к истоку. При правильной полярности ток сначала идёт через встроенный диод, затвор оказывается выше истока, канал открывается и шунтирует диод. При обратной полярности напряжение затвор — исток отрицательное, канал закрыт, встроенный диод заперт.+U питНагрузкаVT1ИС−U питR1VD1общий провод нагрузки отделён от минуса источника каналом VT1
N-канальный MOSFET в минусовом проводе: канал открывается напряжением питания через R1, стабилитрон VD1 ограничивает напряжение затвор — исток

Цена — «плавающий» общий провод: минус нагрузки отделён от минуса источника каналом транзистора, и на нём падает I · RDS(on), а при включении и выключении общий провод скачет. TI предупреждает, что не все системы это допускают (SLVAE57, разд. 4.4). Если у устройства есть второй путь к земле источника — USB, интерфейсный кабель, заземлённый корпус, — ток пойдёт в обход транзистора, а при переполюсовке через этот путь пойдёт и обратный ток.

У IRLZ44 предел затвора ±10 В, поэтому при 12 В нужен стабилитрон — например, BZX84C8V2 (7,7–8,7 В). Обычный IRFZ44 с пределом ±20 В выдерживает 12 В на затворе без стабилитрона, но его сопротивление нормировано при 10 В.

Контроллер идеального диода

Обе MOSFET-схемы защищают от обратного напряжения, но не блокируют обратный ток: транзистор закрывается только тогда, когда напряжение на входе опустится почти до порога, а до этого конденсаторы после защиты разряжаются обратно в источник (SLVAE57, разд. 5). При кратком замыкании или провале входа устройство может перезагрузиться. Диод Шоттки такой ток блокирует сам.

Контроллер идеального диода управляет N-канальным MOSFET в плюсовом проводе: зарядовый насос поднимает затвор выше истока, а компаратор следит за напряжением сток — исток и закрывает транзистор, как только ток пошёл назад.

ПараметрLM74700-Q1LM74610-Q1
Рабочее напряжение4–60 В по таблице характеристик, рекомендуемо до ±60 В; предельно 65 В, работа до 3,2 В после пуска при 3,9 Вна аноде сверху не ограничено
Обратное напряжениерекомендуемо до −60 В, предельно −65 В42 В длительно, 45 В на 2 мс
Падение на MOSFETрегулирует 20 мВ (13–29 мВ); полностью открывает при 50 мВканал открыт 98 % времени, 2 % — встроенный диод
Отключение при обратном токепри −11 мВ, за 0,45 мкс типично и не дольше 0,75 мксза 2 мкс типично при ёмкости затвора 5 нФ
Ток покоя80 мкА, выключенный — 1 мкАнулевой: не подключён к общему проводу
КорпусSOT-23 (6 и 8 выводов)VSSOP-8

По даташитам TI SNOSD17G и SNOSCZ1B.

Транзистор для LM74700-Q1 TI предлагает выбирать так (разд. 10.1.1.2.2): допустимое VGS не ниже 15 В, потому что контроллер подаёт на затвор до 13 В; сопротивление канала — между 20 мВ/I и 50 мВ/I при номинальном токе, чтобы транзистор работал в режиме регулирования, а обратный ток уверенно обнаруживался. Для 2 А это 10–25 мОм. IRFZ44 (до 28 мОм при 10 В, VGS ±20 В) чуть выше рекомендованного диапазона: 2 А · 28 мОм = 56 мВ больше 50 мВ, и при 2 А транзистор работает в режиме полного открытия, без регулирования. Логический IRLZ44 с пределом ±10 В без стабилитрона с этим контроллером использовать нельзя.

Пример: потери при 12 В и 2 А

Нагрузка потребляет 2 А от 12 В — 24 Вт. Потери посчитаны по наибольшим значениям из даташитов при 25 °C; с нагревом сопротивление MOSFET растёт: у AO3401A при 125 °C — 62 мОм типично против 41 мОм при 25 °C.

ВариантДеталь и параметрПадениеПотериНагрев
Выпрямительный диод1N5400: UF ≤ 1,2 В при 3 Адо 1,2 Вдо 2,4 Вт (10 %)до 48 °C при RθJA 20 °C/Вт
Диод ШотткиSS34: UF ≤ 0,5 В при 3 Адо 0,5 Вдо 1,0 Вт (4 %)до 55 °C при RθJA 55 °C/Вт
Диод Шоттки1N5819: средний ток 1 А—не подходит—
Предохранитель с диодомSF-1206F300: 23 мОм тип. + 1N54000,05 В0,09 Вт—
P-MOSFET, TO-220IRF9540: 0,20 Ом при −10 В0,4 В0,8 Вт50 °C при RθJA 62 °C/Вт
P-MOSFET, SOT-23AO3401A: 50 мОм при −10 В0,1 В0,2 Вт25 °C при RθJA 125 °C/Вт
N-MOSFET в минусеIRLZ44: 28 мОм при 5 В0,06 В0,11 Вт7 °C при RθJA 62 °C/Вт
Идеальный диодLM74700-Q1 + IRFZ44: 28 мОм при 10 Вдо 0,06 В0,11 Вт7 °C при RθJA 62 °C/Вт

Нагрев — это ΔT = P · RθJA над температурой воздуха; тепловое сопротивление каждый производитель приводит для своей платы (у SS34 — площадки 14 × 14 мм, у 1N5400 — 20 × 20 мм, у AO3401A — 1 дюйм² меди), и на маленькой площадке оно больше. Проверить свой случай поможет расчёт радиатора.

Выводы из таблицы: при токах до сотен миллиампер диод Шоттки — разумный выбор; при амперах P-канальный MOSFET в SOT-23 теряет впятеро меньше Шоттки; старый IRF9540 с 0,2 Ом проигрывает современному маленькому транзистору. Идеальный диод нужен, когда важен ещё и обратный ток: устройство с накопительными конденсаторами, параллельное включение двух источников, автомобильные провалы питания.

Как выбрать схему

  1. Ток до 0,5 А, лишние 0,3–0,5 В некритичны — диод Шоттки. Обратное напряжение диода — выше максимального питания.
  2. Ампер и больше или питание от батареи — P-канальный MOSFET в плюсе; проверить RDS(on) при минимальном питании и VGS при максимальном.
  3. Нужен общий минус без сдвига — только схемы в плюсовом проводе.
  4. Нужна блокировка обратного тока или работа при провалах до 3–4 В — контроллер идеального диода. TI отмечает, что у P-канальной схемы при просадке входа ниже 4 В сопротивление канала резко растёт, а контроллер LM74500-Q1 держит N-канальный MOSFET полностью открытым до 3,2 В (SLVAE57, разд. 5.2); LM74700-Q1 работает от 3,2 В (SNOSD17G).
  5. Потерь не должно быть совсем, а обрыв цепи при ошибке допустим — предохранитель с диодом поперёк входа.

Типичные ошибки

  • MOSFET включён наоборот. Если перепутать сток и исток, в рабочем режиме схема ведёт себя как обычно — канал открыт, и ошибку не видно. Но встроенный диод теперь направлен навстречу обратному току, и при переполюсовке ток идёт через него в нагрузку. Проверка простая: и у P-канальной, и у N-канальной схемы источник питания подключён к стоку.
  • Превышено напряжение затвора. AO3401A с пределом ±12 В при питании 12 В без стабилитрона, IRLZ44 с пределом ±10 В — тем более. Любой выброс на входе превышает предельный режим затвора, и транзистор может выйти из строя.
  • Транзистор не открыт до конца при низком питании. У AO3401A при −2,5 В сопротивление до 85 мОм, а у IRF9540 при −4,5 В оно не нормировано вовсе: при питании 5 В он будет греться.
  • Медленное открытие. Большой резистор затвора и ёмкость затвора (у AO3401A 645 пФ) задают время включения; пока канал не открыт, ток заряда входных конденсаторов идёт через встроенный диод. У AO3401A допустимый длительный ток этого диода — 2 А; TI требует проверять ток встроенного диода по пусковому току и для идеального диода (LM74700-Q1, разд. 10.1.1.2.2).
  • Ожидание, что MOSFET заблокирует обратный ток. P- и N-канальные схемы его не блокируют: при параллельном включении двух источников или при замыкании входа конденсаторы разряжаются назад.
  • Диод на ток 1 А при нагрузке 2 А. 1N5819 и 1N4007 рассчитаны на 1 А; для 2–3 А — SS34 или 1N5400.

Частые вопросы

Какой диод поставить от переполюсовки?

Диод Шоттки на ток с запасом и обратное напряжение выше питания. Для 12 В и 2 А подходит SS34: 40 В, 3 А, падение до 0,5 В при 3 А — потери до 1 Вт. 1N5819 рассчитан только на 1 А, а выпрямительный 1N5400 при том же токе теряет до 2,4 Вт.

Как подключить P-канальный MOSFET для защиты от переполюсовки?

В плюсовой провод: сток к источнику, исток к нагрузке, затвор через резистор к общему проводу. Встроенный диод тогда проводит в рабочем направлении, и транзистор открывается, как только на входе появляется правильное напряжение. Если питание выше допустимого VGS, между затвором и истоком ставят стабилитрон катодом к истоку.

Почему MOSFET не защищает, хотя стоит в схеме?

Чаще всего перепутаны сток и исток. Встроенный диод MOSFET всегда направлен от истока к стоку у N-канала и от стока к истоку у P-канала; если он смотрит в сторону обратного тока, при переполюсовке ток идёт через него, и защиты нет.

Чем идеальный диод лучше P-канального MOSFET?

Контроллер, например LM74700-Q1, держит на N-канальном MOSFET падение около 20 мВ и закрывает его не дольше чем за 0,75 мкс, когда ток пошёл назад. P-канальная схема обратный ток не блокирует: при просадке или замыкании входа конденсаторы после неё разряжаются обратно в источник.

Можно ли защитить от переполюсовки предохранителем?

Да, предохранителем и диодом поперёк входа за ним: при обратной полярности диод замыкает источник, и предохранитель перегорает. Потерь в рабочем режиме почти нет, но нагрузка кратковременно видит обратное падение на диоде, а источник должен дать ток, достаточный для срабатывания.

Источники

  1. Texas Instruments. Reverse Current/Battery Protection Circuits (SLVA139, June 2003) — последовательный диод и его падение; N-канальный MOSFET в минусовом проводе и P-канальный в плюсовом, встроенный диод по направлению рабочего тока, падение rDS(on) · I
  2. Texas Instruments. Basics of Ideal Diodes (SLVAE57B, February 2021, revised October 2021) — разд. 2–5: что повреждает обратная полярность, недостатки диода Шоттки (нагрев, утечка при нагреве), P- и N-канальный MOSFET не блокируют обратный ток, сдвиг общего провода у N-канальной схемы, работа P-MOSFET при просадке входа; разд. 6: контроллер идеального диода, линейное регулирование и гистерезисное управление, табл. 6-1
  3. Texas Instruments. LM74700-Q1 Low IQ Reverse Battery Protection Ideal Diode Controller (SNOSD17G, revised December 2020) — предельно 3,2…65 В и −65 В на ANODE, рекомендуемо ±60 В (разд. 6.3), в таблице характеристик вход 4–60 В, пуск при 3,9 В; регулирование падения 20 мВ (13–29 мВ), полное открытие при 50 мВ, отключение при −11 мВ за 0,45 мкс типично и 0,75 мкс наибольшее, ток покоя 80 мкА, выключенный 1 мкА; разд. 10.1.1.2.2 — выбор MOSFET: VGS не ниже 15 В, RDS(on) между 20 мВ / I и 50 мВ / I; разд. 10.1.1.3 — TVS SMBJ33CA для 12 В
  4. Texas Instruments. LM74610-Q1 Zero IQ Reverse Polarity Protection Smart Diode Controller (SNOSCZ1B, revised June 2016) — нулевой ток покоя; катод — анод до 42 В длительно и 45 В на 2 мс (разд. 6.1, прим. 2); MOSFET с эффективной ёмкостью затвора 5 нФ закрывается за 2 мкс типично (разд. 7.3); внутренний стабилитрон 11,5 В на затворе, MOSFET открыт 98 % времени при 25 °C и больше 90 % при 125 °C, остальное время ток идёт через встроенный диод
  5. Vishay. 1N5817, 1N5818, 1N5819: Schottky Barrier Plastic Rectifier (doc. 88525, revision 01-Jul-2020) — средний ток 1,0 А; падение 1N5819 до 0,60 В при 1 А и до 0,90 В при 3,1 А
  6. Vishay. SS32 … SS36: Surface-Mount Schottky Barrier Rectifier (doc. 88751, revision 23-Apr-2020) — SS34: 40 В, 3,0 А, падение до 0,5 В при 3 А, обратный ток до 0,5 мА при 25 °C и до 20 мА при 100 °C, RθJA 55 °C/Вт на площадках 14 × 14 мм
  7. Vishay. 1N4001 … 1N4007: General Purpose Plastic Rectifier (doc. 88503, revision 29-Apr-2020) — средний прямой ток 1,0 А
  8. Vishay. 1N5400 thru 1N5408: General Purpose Plastic Rectifier (doc. 88516, revision 19-Dec-2025) — 3,0 А, падение до 1,2 В при 3 А, ударный ток 200 А (полусинус 8,3 мс), RθJA 20 °C/Вт на плате с площадками 20 × 20 мм
  9. Vishay Siliconix. IRF9540 Power MOSFET (doc. 91078, S21-0852-Rev. C, 16-Aug-2021) — P-канал, −100 В, RDS(on) до 0,20 Ом при VGS = −10 В, VGS ±20 В, RθJA 62 °C/Вт
  10. Alpha & Omega Semiconductor. AO3401A 30V P-Channel MOSFET (Rev 3.1, December 2023) — SOT-23, −30 В, VGS ±12 В, ID −4 А при 25 °C и −3,2 А при 70 °C; RDS(on) до 50 мОм при −10 В и до 60 мОм при −4,5 В; RθJA 100/125 °C/Вт длительно; VGS(th) −0,5…−1,3 В; ток встроенного диода до 2 А
  11. Vishay Siliconix. IRLZ44 Power MOSFET (doc. 91328, S21-1045-Rev. D, 25-Oct-2021) — 60 В, RDS(on) до 0,028 Ом при VGS = 5 В и 0,039 Ом при 4 В, VGS не больше ±10 В, RθJA 62 °C/Вт
  12. Vishay Siliconix. IRFZ44 Power MOSFET (doc. 91291, S21-1045-Rev. C, 25-Oct-2021) — 60 В, RDS(on) до 0,028 Ом при VGS = 10 В, VGS ±20 В
  13. onsemi. BZX84CxxxLT1G Series: Zener Voltage Regulators (BZX84C2V4LT1/D, Rev. 23, August 2021) — BZX84C10 — 9,4–10,6 В, BZX84C8V2 — 7,7–8,7 В при 5 мА
  14. Bourns. SinglFuse SF-1206F Series — Fast Acting Surface Mount Fuses (Rev. J 04/21) — SF-1206F300: 3 А, 0,02325 Ом, 32 В DC, разрывная способность 50 А, I²t плавления 0,501 А²·с при 10-кратном токе
  15. Vishay. Transient Voltage Suppressors (TVS) for Automotive Electronic Protection (doc. 88490, revision 09-Aug-10) — при обратной полярности напряжение на шине равно прямому падению на защитном диоде; у большинства КМОП-микросхем очень плохая стойкость к обратному напряжению, затворы MOSFET слабы уже при −1 В

Нашли ошибку?

Смотрите также