防止錯(cuò)誤插入電池的新設(shè)計(jì)方案

　　只要是電池供電的系統(tǒng)，就一直存在這個(gè)問(wèn)題：您錯(cuò)誤裝入電池，將正負(fù)極裝反，產(chǎn)生反向極性事件。系統(tǒng)暫時(shí)出現(xiàn)故障或永久損壞。

　　設(shè)計(jì)為適合其裝配的系統(tǒng)的定制電池有助于最大程度減少不正確插入和反向極性的機(jī)會(huì)，但像AAA型、AA型、C型以及D型單體電池等經(jīng)過(guò)檢驗(yàn)而可靠的現(xiàn)成電池，乃至CR123、CR2和鈕扣鋰電池也很容易出故障。

　　過(guò)去，設(shè)計(jì)人員使用機(jī)械結(jié)構(gòu)來(lái)避免與電池端子的電氣接觸（如果未正確插入電池）。但機(jī)械解決方案遠(yuǎn)不完美。它們通常需要進(jìn)行特殊加工，因?yàn)閺椈捎|點(diǎn)需要控制良好的機(jī)械組件容差，以確保正確插入電池時(shí)接觸良好，但未正確插入不接觸。這些狹小容差可導(dǎo)致長(zhǎng)期穩(wěn)定性問(wèn)題，因?yàn)楸匦枋褂玫膹椈珊陀|點(diǎn)可能彎曲或出現(xiàn)故障。即使是正常使用，周而復(fù)始的正常插入，也可能導(dǎo)致接觸疲勞，并且隨著時(shí)間的推移，限制了可靠性。

　　但盡管有這些限制，機(jī)械解決方案一直存在，因?yàn)樗鼈兪窃O(shè)計(jì)人員可用于防止不正確電池安裝的唯一實(shí)際方案。設(shè)計(jì)為防止由反相電池導(dǎo)致的反向極性事件的電氣解決方案一直存有爭(zhēng)議。

　　因?yàn)檎２僮鬟^(guò)程中的壓降，通常不選擇使用串聯(lián)二極管。使用二極管接地設(shè)置也不是一個(gè)很好的主意，因?yàn)榉聪驑O性事件可能導(dǎo)致電池危險(xiǎn)放電持續(xù)很長(zhǎng)時(shí)間并使二極管過(guò)熱。

　　分立式MOSFET需要復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，并且可能未經(jīng)過(guò)優(yōu)化或特定用于以防止反向極性。在反向極性事件過(guò)程中評(píng)估性能的關(guān)鍵規(guī)格可能丟失，并且這可能使設(shè)計(jì)人員不得不從數(shù)據(jù)表上的性能特性得出估計(jì)值并猜測(cè)安全工作時(shí)間期，令人擔(dān)憂(yōu)。而且，根據(jù)MOSFET的應(yīng)用方式，它們可能需要一個(gè)控制器或其他成本高昂的功能。

　　多功能IC有時(shí)配備有可防止反向極性的電路，這通常明顯增加了電路的復(fù)雜性，因?yàn)樗鼈兡軌蛟谡珘涵h(huán)境中工作，然后在反向極性模式中工作或不被損壞。因此，多功能IC帶來(lái)了巨大的性能和/或成本代價(jià)。由于性?xún)r(jià)比權(quán)衡，典型實(shí)施具有相對(duì)有限的反向偏壓功能（-2V或-6V）。

　　專(zhuān)用反極性保護(hù)器件是防止錯(cuò)誤插入電池的有效方法

　　然而最近，專(zhuān)用反向極性保護(hù)器件的出現(xiàn)為設(shè)計(jì)人員提供了更可行的電氣可選方案。專(zhuān)用器件（如由飛兆提供的器件）代表的是可防止反向極性且性?xún)r(jià)比和性能最高的方法之一，是電池供電系統(tǒng)的極佳選擇。

　　圖1.顯示的是使用專(zhuān)用器件防止反向極性的電路。

　　圖1：使用專(zhuān)用器件防止反向極性

　　此簡(jiǎn)單設(shè)置提供持續(xù)可靠的保護(hù)。設(shè)計(jì)需要極小的PCB空間，最大程度地減少了電壓損耗，并在反向偏壓條件下快速有效地進(jìn)行響應(yīng)。

　　整體成本也不錯(cuò)。串聯(lián)肖特基二極管通常比專(zhuān)用反向極性保護(hù)器件更便宜，但一旦工作電流開(kāi)始增大，基于肖特基方法的總成本也就開(kāi)始上揚(yáng)。出于性?xún)r(jià)比權(quán)衡，專(zhuān)用反向極性保護(hù)器件很可能成為最具吸引力的電子方法。

　　人們會(huì)繼續(xù)在電池上犯些錯(cuò)誤，但設(shè)計(jì)人員防止小意外的方式也很有可能會(huì)改變?？紤]全面后，專(zhuān)用反向極性保護(hù)器件隨著時(shí)間的推移可能會(huì)完全取代復(fù)雜的機(jī)械解決方案。

　　反極性形成原因及對(duì)此可采取的措施

　　沒(méi)有人希望他們的系統(tǒng)出現(xiàn)故障，甚至更嚴(yán)重的起火燃燒。但如果允許反向極性進(jìn)行破壞，就可能會(huì)發(fā)生上述情況。

　　反向極性是穩(wěn)態(tài)反向偏壓或負(fù)瞬態(tài)的結(jié)果。這是一種危險(xiǎn)的電氣狀況，一旦系統(tǒng)出廠即很難防止。

　　反向極性風(fēng)險(xiǎn)是各種常見(jiàn)應(yīng)用中的實(shí)際威脅，包括移動(dòng)電子、電池供電系統(tǒng)、連接至汽車(chē)電源的器件、直流供電的玩具、具有桶插孔連接器的產(chǎn)品，或任何經(jīng)受負(fù)電壓熱插拔或電感瞬變的DC器件。支持USB連接和/或USB充電的系統(tǒng)尤其易受影響。

　　下面是反向極性的一些最常見(jiàn)原因：

　　●使用第三方生產(chǎn)的售后市場(chǎng)充電器或電源

　　第三方充電器的市場(chǎng)日益增長(zhǎng)，但并非所有充電器都設(shè)計(jì)都具有反向極性防護(hù)。在某些情況下，充電器具有反向電氣觸點(diǎn)或者極性可由用戶(hù)設(shè)置，這就為出錯(cuò)留下了空間。

　　●使用USB的"熱插拔"功能

　　總線處于帶電狀態(tài)時(shí)能方便地連接或斷連移動(dòng)設(shè)備意味著"熱插拔"操作正在增加，熱插拔瞬變的幅度也是如此。這些電感瞬變可將總線擺動(dòng)至反向極性條件。盡管這些擺動(dòng)的時(shí)間往往很短，但幅度很大。超過(guò)±20V的電壓軌擺幅已在"熱插拔"操作中測(cè)量到。此瞬變對(duì)斷開(kāi)連接的器件和電壓軌上的其他器件都可能會(huì)產(chǎn)生影響。當(dāng)充電電流增大時(shí)，此問(wèn)題只會(huì)更嚴(yán)重。

　　●使用未正確插入的電池

　　電池供電的系統(tǒng)可能出現(xiàn)故障，這是因?yàn)殡姵匚凑_插入，其正負(fù)極插反。對(duì)于AAA型、AA型、C型以及D型單體電池、或CR123、CR2或鈕扣鋰電池等使用傳統(tǒng)外形尺寸的器件來(lái)說(shuō)尤其如此。如果正確插入電池，機(jī)械解決方案可防止與電池端子的電氣接觸，但這些解決方案需要自定義模制并可經(jīng)受一段時(shí)間后的接觸疲勞。

　　●發(fā)展中國(guó)家中墻壁插頭的使用

　　世界上還有一些地方的電力基礎(chǔ)設(shè)施具有較少的保護(hù)要求，因此，電源可在線路上向下傳輸大電壓瞬變。室內(nèi)布線使情況變得更糟。過(guò)去，傳統(tǒng)白熾燈能有助于吸收和抑制電源線上的瞬態(tài)能量，但像LED和CFL等新類(lèi)型產(chǎn)品沒(méi)有相同的抑制特性。通過(guò)移動(dòng)至LED和CFL的節(jié)能工作可能產(chǎn)生從未遇到過(guò)的問(wèn)題。

　　●將器件插入汽車(chē)（或飛機(jī)、火車(chē)等）的電源

　　在許多情況下，交通供電中的電源適配器包括反向極性保護(hù)，但也有例外，特別是在低成本替代產(chǎn)品中。不知情的用戶(hù)只是將器件插入汽車(chē)的打火機(jī)插孔中就可能導(dǎo)致反向極性事件，因?yàn)樗麤](méi)有意識(shí)到打火機(jī)插孔可導(dǎo)致器件故障。

　　由于有太多方式可觸發(fā)反向極性事件，設(shè)計(jì)人員務(wù)必盡其所能在系統(tǒng)出廠前防止反向極性以免造成損壞。

　　小于100mA系統(tǒng)中反極性的最佳保護(hù)方法

　　低電流系統(tǒng)-即工作電流低于100mA或200mA的系統(tǒng)-涵蓋各種應(yīng)用，從安全系統(tǒng)和火警報(bào)警器到適用于樓宇自動(dòng)化、公共地址和數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)。

　　其中包括許多不同的工作環(huán)境，設(shè)計(jì)人員無(wú)法始終預(yù)測(cè)其系統(tǒng)將以何種方式在何處使用。根據(jù)具體情況，系統(tǒng)可能暴露于穩(wěn)態(tài)反向偏壓或負(fù)瞬變等不良電氣條件下，這可能導(dǎo)致反向極性事件并損壞系統(tǒng)。

　　結(jié)果可能如同電氣故障那么簡(jiǎn)單，但如果情況很?chē)?yán)重，則可能導(dǎo)致火災(zāi)。因此，設(shè)計(jì)人員增加電路來(lái)防止反向極性帶來(lái)的負(fù)面效應(yīng)并不罕見(jiàn)。

　　有多種方法可實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，但對(duì)于低電流應(yīng)用，其效率通常較少成為問(wèn)題。只要系統(tǒng)可耐受功耗并且工作電壓壓降與各方法相關(guān)聯(lián)，即可使用串聯(lián)PN或肖特基二極管這兩種簡(jiǎn)單方法來(lái)達(dá)到目的。

　　串聯(lián)PN二極管

　　如果設(shè)計(jì)可接受較大的串聯(lián)壓降(±1V)，或可能有高電壓反向瞬變(>200V)，那么使用串聯(lián)PN二極管是個(gè)不錯(cuò)的選擇。圖2提供了設(shè)計(jì)示例。這是可提供快速阻斷、可重置功能和高擊穿電壓的簡(jiǎn)單低成本解決方案。

　　圖2：串聯(lián)二極管方法

　　此二極管的功耗最少，因此較少需要散熱片，且成本較低。只要器件在正常操作或可能的故障條件期間不過(guò)熱，系統(tǒng)就會(huì)正常工作。

　　即便如此，該解決方案并非適用于每個(gè)設(shè)計(jì)。成本優(yōu)勢(shì)很快會(huì)隨著工作電流的上升而消失。而且，在較高電流下，功耗越大，最終所需的二極管也就越大越昂貴，需要采用導(dǎo)熱性更好的封裝和散熱結(jié)構(gòu)。

　　此外，在低電壓系統(tǒng)中(≤5V)，二極管壓降可能需要額外下游升壓電路，這就使本來(lái)預(yù)計(jì)為低成本的方法實(shí)際上變得很昂貴。

　　因此，在使用PN二極管方法之前務(wù)必記住這幾條。

　　串聯(lián)肖特基二極管

　　類(lèi)似但應(yīng)用更廣泛的方法是使用串聯(lián)肖特基二極管代替串聯(lián)PN二極管。該壓降更低一點(diǎn)(±0.6V)而且設(shè)計(jì)消耗的功率更少。

　　圖3顯示的是肖特基二極管的設(shè)置。此配置提供出色的阻斷、簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)導(dǎo)入和低成本。其還可重置并且可能支持相對(duì)較高的擊穿電壓(>200V)。

　　圖3：串聯(lián)肖特基二極管方法

　　壓降較低可減少與傳統(tǒng)PN二極管有關(guān)的熱管理需求，而這可能實(shí)現(xiàn)更小且成本更低的封裝。

　　盡管如此，仍需要小心，因?yàn)閴航祵?duì)于許多應(yīng)用來(lái)說(shuō)可能仍過(guò)高。而且，盡管肖特基二極管的工作范圍比串聯(lián)PN二極管的廣，此方法的最佳應(yīng)用仍是使用低于200mA的電流且具有更高電壓(>5V)的應(yīng)用。

　　結(jié)論

　　無(wú)論采用哪一種方法，都要考慮壓降和功耗這兩個(gè)主要方面。假設(shè)這兩個(gè)參數(shù)都在可接受范圍內(nèi)，那么兩種方法都能以低成本有效地保護(hù)低電流系統(tǒng)，使其免受反向極性事件可能導(dǎo)致的損壞。如果壓降或功耗成問(wèn)題，則可考慮飛兆的FR器件等有源解決方案。