A3.0:防反接和防倒灌的物理意义

我们经常看到电路里简单的电路里加了很多三极管或者MOS管,却不知道这个电路的作用,这些电路很有可能就是防反接或者防倒灌的设计。

先了解它们的意义,首先是防反接,听名字就知道,这是防止有的用户把电源部分的供电线序接反了,比如24VDC和GND,二者接反了位置,自然导致电路里本来是GND的大块铜皮变成了24VDC,而24VDC的小部分铜皮则变成了GND。

在电源设计里,集成的降压芯片都有稳压二极管,当电源反接的时候,稳压二极管就会正向导通,导致短路,这只是其中一种情况,本质的物理意义就是防止电源正负极接反时电流反向流入电路,避免电子元件因反向电压或电流而损坏。

所以防反接核心机制就是利用电子元件的单向导电性,形成电流的"单向阀门",常见的有二极管、MOS管方式防反接。

二极管方案:串联在电路中,正向连接时导通,反向时截止(类似单向阀门,仅允许正向电流通过)。

MOS管方案(更高效):以NMOS为例,电源正接时栅极电压(Vg)高于源极(Vs),MOS管导通;反接时Vg=0,Vs为高电压,MOS管关闭(寄生二极管反向截止),彻底阻断回路。

实际上就是通过强制电流方向一致性,保护对极性敏感的半导体器件(如IC、电容)免受反向击穿。

防倒灌:

防止电流从输出端反向流入电源端,避免多电源系统中高压电源向低压电源反向供电造成的损害,即阻断电流的逆向路径,确保能量单向流动。

二极管方案:串联在电源输出端,利用单向导电性阻止电流回流(但存在压降损耗)。

双MOS管方案(更优):例如两个PMOS背靠背连接。正常工作时MOS管导通;当输入端断电时,栅极电压变化使MOS管关闭,切断倒灌路径(类似双阀门系统,双向阻断)。

物理本质:解决多电源并联时的电位差问题(如电池与充电器并联时,防止充电器电压倒灌至电池)。

总结:防反接针对输入极性,防倒灌针对能量流向。

那么为什么会发生倒灌呢?

答:当电源端电压因断电或负载突变而低于负载端电压,会形成反向电场力(水往低处流),推动电子从高电位(负载)向低电位(电源)定向迁移。

实现倒灌,需要依赖低通路径完成能量逆向传递,如寄生元件,比如MOS管导通时寄生二极管(体二极管)或PN结形成双向通路,电流可反向流通;如多电源并联,未隔离的电源并联(如电池和充电器)构成物理回路,高压电源通过导线向低压电源倒灌。

倒灌的直接原因就是没有单向隔离功能或单向隔离功能失效导致,如缺乏单向元器件二极管或MOS管阻断,电流自然可以自由双向流动,或者时序冲突,多电源上电顺序错位,高电压外设在低电压核心未就绪时,通过I/O口形成倒灌通路。

为什么时序冲突,会通过I/O口形成倒灌通路?

答:CMOS工艺的IO口含MOS管结构,其体二极管是倒灌的隐蔽路径:PMOS体二极管导通:当外部信号电压高于VCC时,PMOS的源极(S)电压高于漏极(D),体二极管正偏导通(即使MOS管栅极关闭)。

反向电流路径:电流从信号线→PMOS源极→体二极管→VCC,形成低阻通路。
由于MOS管制造工艺中衬底与源极的PN结天然存在,成为不受栅极控制的一条通道。

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