硬件开发者之路之—保护电路系列之防反接

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在硬件设计中，关于电路保护的部分是保证系统可靠性的重要一环，电路保护的设计具体也包括很多方面，比如：防反设计，过流保护，过压保护，欠压保护，过热保护等，还包括接口的一些电磁防护设计。今天来梳理一下相关的电路设计点。
先说说输入电源的防反接保护，这个在实际应用中很有用，因为电源插反的现象无论是生产还是应用都很常见。

一、我们的产品里用的最多的是利用二极管的单向导电性进行设计，这是最简单的一种方式。缺点也很明显，有PN结的压降，在大电流情况下功耗太大没法用。

二、利用二极管的单向导电性可以实现正负极兼容，这种特点是接反一样正常工作，但是缺点同上，两个二极管导致电压和功耗更大。

三、利用MOS管的低导通电阻特性是目前应用较多的方式

MOS管这里有个问题是为何DS是反的，和正常使用时不一样。这里MOS管的防反接主要是寄生二极管在起作用。
NMOS的寄生结构：

所以工作过程是：上电时寄生二极管先导通，之后UGS大于开启电压，MOS管导通。

如果按照正常用法，我们看到寄生二极管在反接时导通了，没起到保护作用。

同理PMOS：

下面分析一下MOS的寄生二极管和DS电流问题。我们知道MOS管是单极子导通器件，通过沟道导通，应该说是不分DS的，事实上也不能说对。

这是NMOS的半导体结构，D和S是在P型的衬底上“挖”出来的，那么D和S到P衬底之间就有PN结，所以正常使用时我们必须把衬底接到低电位（PMOS是连接到高电位）避免寄生的PN结导通，S和B连接在一起，这样的话DS之间就有一个反接的二极管了。正常我们应用时D端电压为高压，UGS大于VTH导通，而保护电路里反接时寄生的MOS管起到了开启的作用，反正只要有合适的电压带来电场形成反型层沟道，MOS管就能通流工作。一般NMOS的导通电阻比PMOS小，所以用NMOS的较多。
实际应用时有很多变形方案，如添加稳压管保护MOS管栅极。

小结：保护电路简单但是比较重要，掌握几种设计原理和方法能够很好的提高电路系统的可靠性。