CN103354415B - 一种用于防反接的n沟道mos管栅极悬浮驱动电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于防反接的N沟道MOS管栅极悬浮驱动电路,包括高频脉冲生成电路、充电电路、放电电路以及电容C1，高频脉冲生成电路将低压的高频脉冲信号转换成电源电平的高频脉冲信号，用以给电容C1充放电；充电电路通过C1对N沟道MOS管的栅极进行充电；放电电路用于在电源反接时，对N沟道MOS管的栅极进行放电。本发明通过驱动电路对N沟道MOS管的驱动，在正向导通时，N沟道MOS管导通，系统损耗小，而在电源反接时，驱动N沟道MOS管关断，减小对系统的冲击，降低系统产生的干扰，同时也对N沟道MOS管起到保护作用，延长系统及N沟道MOS管的使用寿命。

Description

一种用于防反接的N沟道MOS管栅极悬浮驱动电路

技术领域

本发明属于电子电路技术领域，具体涉及采用N沟道MOS管用于电源的防反接，更具体的是涉及一种用于防反接的N沟道MOS管栅极悬浮驱动电路。

背景技术

直流电源在使用过程中要严格防止反接，一旦电源反接就很容易烧毁负载和元器件。目前有很对多防反接电路，如直接将一个二极管串联在电路中，防止由于电源正极和电源负极接线错误而损伤电子元器件。但是这种防反接电路虽然结构简单，但由于二极管两端的压降比较高，当大电流流经二极管时，其在二极管两端的损耗非常大，降低系统的效率，缩短二极管以及系统的寿命。

另一种形式是在电源负端反向串联一个MOSFET，并将电源正端通过电阻等驱动电路接到MOSFET门极实现防反接电路，这种电路既能提高效率也能降低损耗。然而当接入母线电容时由于反接时对电容有很大的损伤，若将电容负极端接在防反接MOS上端，整个系统的干扰将很大。

发明内容

针对上述技术问题，本发明提供一种用于防反接的N沟道MOS管栅极悬浮驱动电路，通过驱动电路对N沟道MOS管的驱动，在正向导通时，N沟道MOS管导通，系统损耗小，而在电源反接时，驱动N沟道MOS管关断，减小对系统的冲击，降低系统产生的干扰，同时也对N沟道MOS管起到保护作用，延长系统及N沟道MOS管的使用寿命。

实现本发明的技术方案如下：

一种用于防反接的N沟道MOS管栅极悬浮驱动电路，连接于电源正端的N沟道MOS管，N沟道MOS管的源极与电源正端连接，该悬浮驱动电路包括高频脉冲生成电路、充电电路、放电电路以及电容C1；所述高频脉冲生成电路将低压的高频脉冲信号转换成电源电平的高频脉冲信号，用以给电容C1充放电；所述充电电路通过C1对N沟道MOS管的栅极进行充电；所述放电电路用于在电源反接时，对N沟道MOS管的栅极进行放电。

进一步地，所述高频脉冲生成电路包括脉冲信号输出端，电阻R1,电阻R2,电阻R3,及三极管Q1；所述脉冲信号输出端与电阻R2一端连接，电阻R2的另一端与电阻R3一端、三极管Q1的基极并接，电阻R3另一端与三极管Q1的发射极并接接地，所述三极管Q1的集电极与电阻R1一端并接于电容C1一端，电阻R1的另一端接电源正端。

进一步地，所述充电电路包括防反二极管D1、防反二极管D3以及电容C2；所述防反二极管D1的正极、电容C2的一端并接于N沟道MOS管的源极；防反二极管D1的负极、防反二极管D3的正极并接于上述电容C1的另一端；所述电容C2的另一端、防反二极管D3的负极并接于N沟道MOS管的栅极。

进一步地，所述放电电路包括电阻R4、电阻R5、三极管Q2以及防反二极管D4；所述防反二极管D4的负极与电源正端连接，防反二极管D4的正极与三极管Q2的发射极连接，三极管Q2的集电极与电阻R5一端、N沟道MOS管的栅极并接，电阻R5的另一端连接电源，N沟道MOS管的基极与电阻R4一端连接，电阻R4的另一端通过支撑电容组与N沟道MOS管的漏极连接。

进一步地，所述高频脉冲生成电路主要由555定时器U1、二极管D2，二极管D5、电阻R6、电阻R7及电容C7组成；所述555定时器U1的输出端与电容C1连接；555定时器U1的放电端与电阻R6一端、电阻R7一端、二极管D5的正极并接，二极管D5负极与电容C7一端、二极管D2正极并接后，再分别连接于555定时器U1的低触发端、高触发端，二极管D2负极与电阻R7的另一端连接，电容C7另一端接地；所述电阻R6的另一端接电源；555定时器U1的清零端与外接电源端连接。

所述555定时器U1的控制电压端连接一电容C6，电容C6的另一端接地。

通过电阻R6与二极管D5给电容C7充电；通过电阻R7与二极管D2给电容C7放电，从而在555定时器的低触发端（高触发端）产生振荡的充放电波形，其载波频率f_carrier由电阻R6，R7及电容C7决定：

$f_{\mathrm{carrier}}=\frac{1}{(R6+R7)C7}$

而555定时器的输出端输出的频率为f_carrier的PWM控制信号，其占空比D₅₅₅决定如下：

$D_{555}=\frac{R6}{R6+R7}.$

采用了上述方案，在系统的主回路上串接N沟道MOS管，N沟道MOS管的源极与电源正端连接；这样在电源正接时，N沟道MOS管在驱动电路的作用下导通，使系统处于正常的工作状态；而当电源反接时，驱动电路能够对N沟道MOS管进行保护，亦能防止N沟道MOS管的导通，对整个系统起到保护作用，减小对系统的冲击；本发明具有以下优点：

1、在电源正接时，N沟道MOS管通过驱动电路导通，内阻仅为mΩ级，系统损耗小。

2、而在电源反接时，N沟道MOS管通过驱动电路关断导通，减小因反接带来对系统造成的冲击，延长N沟道MOS管及系统的使用寿命。

3、另外由于驱动电路的设置，在电源正接时，系统能够平稳的工作，而在电源反接时，能够通过N沟道MOS管及驱动电路对系统起到保护，降低了系统产生的干扰。

附图说明

图1为本发明的第一实施例电路图；

图2为本发明的第二实施例电路图；

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进一步说明。

第一实施例，参见图1所示，一种用于防反接的N沟道MOS管栅极悬浮驱动电路，连接于电源正端的N沟道MOS管1，N沟道MOS管的源极与电源正端连接，具体实施中，在N沟道MOS管的源极与电源正端之间串接一差模电感L1，在N沟道MOS管的漏极连接有支撑主电路的电容组2，电容组2采用电容C3、电容C4、电容C5的一端并接于N沟道MOS管的漏极，电容C3、电容C4、电容C5的另一端并接接地；悬浮驱动电路包括高频脉冲生成电路3、充电电路4、放电电路5以及电容C1；

其中，高频脉冲生成电路功能是实现将MCU发出的低压3.3V的高频脉冲信号通过三极管Q1转换成VBAT电平的高频脉冲信号，并反复给电容C1充放电；高频脉冲生成电路包括由控制器MCU的脉冲信号输出端CHARGE，电阻R1,电阻R2,电阻R3,及三极管Q1；脉冲信号输出端与电阻R2一端连接，电阻R2的另一端与电阻R3一端、三极管Q1的基极并接，电阻R3另一端与三极管Q1的发射极并接接地，所述三极管Q1的集电极与电阻R1一端并接于电容C1一端，电阻R1的另一端接电源正端。这里当控制器MCU或外部晶振的供电电压为5V或3.3V更低的等级，可通过电平转换来实现。

其中，充电电路功能是通过电容C1对M1的栅极以及电容C2充电；具体实施中，充电电路包括防反二极管D1、防反二极管D3以及电容C2；防反二极管D1的正极、电容C2的一端并接于N沟道MOS管的源极；防反二极管D1的负极、防反二极管D3的正极并接于上述电容C1的另一端；电容C2的另一端、防反二极管D3的负极并接于N沟道MOS管的栅极。

其中，放电电路的功能是在电源反接时，对N沟道MOS管的栅极以及电容C2放电，保证N沟道MOS管可靠关断。具体实施中，放电电路包括电阻R4、电阻R5、三极管Q2以及防反二极管D4；防反二极管D4的负极与电源正端连接，防反二极管D4的正极与三极管Q2的发射极连接，三极管Q2的集电极与电阻R5一端、N沟道MOS管的栅极并接，电阻R5的另一端连接电源，N沟道MOS管的基极与电阻R4一端连接，电阻R4的另一端通过支撑电容组与N沟道MOS管的漏极连接。

本发明中关键器件作用及值计算如下：

放电电路中电阻R5作为下拉电阻，由于电路启动时，高频脉冲还没有生成，无法通过电容C1对N沟道MOS管充电，此时，只有通过N沟道MOS管内在的二极管作为反极性保护,另外，该电阻也可防止这个阶段N沟道MOS管出现浮动，其推荐值为100k～680k。

启动阶段是由高频脉冲生成电路以及充电电路两部分组成，charge信号输出来自控制器MCU发出的高频PWM信号。理想情况下N沟道MOS管M1的栅极对源电压可以计算：

Vgs=2Vbat-2Vd，其中Vd为防反二极管的压降，实际中，由于输出脉冲信号的频率以及电容的容值限制，导致Vgs会变小，为保证Vgs始终大于Vbat，

电容C1的推荐值为不小于100PF.

为防止快速放电带来的干扰，N沟道MOS管M1的栅极电容放电不能太快，但又要使N沟道MOS管M1以足够快的速度关断，放电电路的电阻R4的计算方法如下：

首先放电电路应该完全工作在反向电源电压（低于3V），允许放电电流为50mA，该条件下，通过三极管Q2的导通情况，可以算出电阻R4的阻值为3.9k。

本发明的附图中标记“VBat”为电源正接入端，标记“GND”的为电源负接入端，N沟道MOS管M1的源极与电源正相连，反接时二极管与电压方向相反。图中标记“CHARGE”为脉冲信号输入端，该脉冲信号为系统内部发生。当电源正接时，控制电路能够正常工作，也就是说“CHARGE”端可以正常发送脉冲信号。当“CHARGE”端输入高电平时，三极管Q1导通，电容C1下端接低电位，电源“VBat”通过快恢复二极管D1向电容C1充电，由于快恢复二极管D1和三极管Q1的内阻都很小，所以电容C1很快到达电源电压。当“CHARGE”端输入低电平时，三极管Q1关断，电容C1下端经电阻R1接电源正，此时电容屏C1两端电压差仍保持为电源电压，那么电容C1上端电压将高于电源电压，通过防反二极管D3向N沟道MOS管M1门极充电。虽然电容C1上端电压高于电源电压，由于防反二极管D1的单向导通，所以电流不会流向电源正端。同样当“CHARGE”端重新输入高电平时，电容C1将重新充电，此时N沟道MOS管M1的门极由于存在电容C2和内部寄生电容，所以相对于电源正的电压不会瞬变，由于防反二极管D3的存在，电流也不会流向电容C1。那么如此反复，“CHARGE”发送连续的脉冲信号，场效应管M1的门极将保持恒定的电压，并一直处于导通的状态。DC端接负载，DC端电压与电源正的电压差很小。

电源反接时，附图1中的GND接电源正，VBat接电源负，电源正经过电阻R4驱动三极管Q2，使得三极管Q2导通，那么N沟道MOS管M1的门极电压为防反二极管D4和三极管Q2的电压降之和，不足1V，N沟道MOS管M1不会导通。上面提到N沟道MOS管M1源极接电源正，反接时其内部二极管也与电压方向相反，电流不会流经N沟道MOS管M1，起到了防反接作用。

第二实施例，参见图2，其他电路与第一实施例基本相同，仅是对高频脉冲生成电路进行改进；高频脉冲生成电路主要由555定时器U1、二极管D2，二极管D5、电阻R6、电阻R7及电容C7组成；555定时器U1的输出端与电容C1连接；555定时器U1的放电端与电阻R6一端、电阻R7一端、二极管D5的正极并接，二极管D5负极与电容C7一端、二极管D2正极并接后，再分别连接于555定时器U1的低触发端、高触发端，二极管D2负极与电阻R7的另一端连接，电容C7另一端接地；电阻R6的另一端接电源；555定时器U1的清零端与外接电源端连接。555定时器U1的控制电压端连接一电容C6，电容C6的另一端接地。由于555定时器U1的成本低、性能可靠，因而降低了本发明的生产制造成本。

通过电阻R6与二极管D5给电容C7充电；通过电阻R7与二极管D2给电容C7放电，从而在555定时器的低触发端（高触发端）产生振荡的充放电波形，其载波频率f_carrier由电阻R6，R7及电容C7决定：

$f_{\mathrm{carrier}}=\frac{1}{(R6+R7)C7}$

一般脉冲信号的频率推荐值为30～50kHz；

而555定时器的输出端输出的频率为f_carrier的PWM控制信号，其占空比D₅₅₅决定如下：

$D_{555}=\frac{R6}{R6+R7}$ 占空比推荐值为50%。

Claims (3)

1.一种用于防反接的N沟道MOS管栅极悬浮驱动电路，连接于电源正端的N沟道MOS管，N沟道MOS管的源极与电源正端连接，其特征在于，在N沟道MOS管的源极与电源正端之间串接一差模电感L1；

悬浮驱动电路包括高频脉冲生成电路、充电电路、放电电路以及电容C1，

所述高频脉冲生成电路将低压的高频脉冲信号转换成电源电平的高频脉冲信号，用以给电容C1充放电；

所述充电电路通过电容C1对N沟道MOS管的栅极进行充电；

所述放电电路用于在电源反接时，对N沟道MOS管的栅极进行放电；

所述高频脉冲生成电路包括脉冲信号输出端，电阻R1,电阻R2,电阻R3,及三极管Q1；

所述脉冲信号输出端与电阻R2一端连接，电阻R2的另一端与电阻R3一端、三极管Q1的基极并接，电阻R3另一端与三极管Q1的发射极并接接地，所述三极管Q1的集电极与电阻R1一端并接于电容C1一端，电阻R1的另一端接电源正端；

所述充电电路包括防反二极管D1、防反二极管D3以及电容C2；

所述防反二极管D1的正极、电容C2的一端并接于N沟道MOS管的源极；防反二极管D1的负极、防反二极管D3的正极并接于上述电容C1的另一端；所述电容C2的另一端、防反二极管D3的负极并接于N沟道MOS管的栅极；

所述放电电路包括电阻R4、电阻R5、三极管Q2以及防反二极管D4；

所述防反二极管D4的负极与电源正端连接，防反二极管D4的正极与三极管Q2的发射极连接，三极管Q2的集电极与电阻R5一端、N沟道MOS管的栅极并接，电阻R5的另一端连接电源，N沟道MOS管的栅极与电阻R4一端连接，电阻R4的另一端通过支撑电容组与N沟道MOS管的漏极连接。

2.一种用于防反接的N沟道MOS管栅极悬浮驱动电路，连接于电源正端的N沟道MOS管，N沟道MOS管的源极与电源正端连接，其特征在于，在N沟道MOS管的源极与电源正端之间串接一差模电感L1；

悬浮驱动电路包括高频脉冲生成电路、充电电路、放电电路以及电容C1，

所述高频脉冲生成电路将低压的高频脉冲信号转换成电源电平的高频脉冲信号，用以给电容C1充放电；

所述充电电路通过电容C1对N沟道MOS管的栅极进行充电；

所述放电电路用于在电源反接时，对N沟道MOS管的栅极进行放电；

所述充电电路包括防反二极管D1、防反二极管D3以及电容C2；

所述防反二极管D1的正极、电容C2的一端并接于N沟道MOS管的源极；防反二极管D1的负极、防反二极管D3的正极并接于上述电容C1的另一端；所述电容C2的另一端、防反二极管D3的负极并接于N沟道MOS管的栅极；

所述放电电路包括电阻R4、电阻R5、三极管Q2以及防反二极管D4；

所述防反二极管D4的负极与电源正端连接，防反二极管D4的正极与三极管Q2的发射极连接，三极管Q2的集电极与电阻R5一端、N沟道MOS管的栅极并接，电阻R5的另一端连接电源，N沟道MOS管的栅极与电阻R4一端连接，电阻R4的另一端通过支撑电容组与N沟道MOS管的漏极连接；

所述高频脉冲生成电路主要由555定时器U1、二极管D2，二极管D5、电阻R6、电阻R7及电容C7组成；

所述555定时器U1的输出端与电容C1连接；555定时器U1的放电端与电阻R6一端、电阻R7一端、二极管D5的正极并接，二极管D5负极与电容C7一端、二极管D2正极并接后，再分别连接于555定时器U1的低触发端、高触发端，二极管D2负极与电阻R7的另一端连接，电容C7另一端接地；所述电阻R6的另一端接电源；555定时器U1的清零端与外接电源端连接。

3.根据权利要求2所述的用于防反接的N沟道MOS管栅极悬浮驱动电路，其特征在于，所述555定时器U1的控制电压端连接一电容C6，电容C6的另一端接地。