有一些众所周知的技术可用于处理电源电压反转。最明显的是从电源到负载的二极管，但是由于二极管的正向电压，它具有额外功耗的缺点。尽管美观，但二极管在便携式或备用应用中将不起作用，因为电池在充电时必须吸收电流，而在放电时则必须提供电流。
另一种方法是使用图1所示的MOSFET电路之一。
图1常规负载侧反向保护
对于负载侧电路，此方法优于二极管，因为源（电池）电压增强了MOSFET，产生的电压降较小，并且电导率实际上更高。电路的NMOS版本优于PMOS版本，因为它具有更高的电导率，更低的成本以及分立NMOS晶体管的更高可用性。在这两个电路中，当电池电压为正时，MOSFET导通；当电池电压反向时，MOSFET断开。 MOSFET的物理“漏极”成为电源，因为它在PMOS版本中为较高电势，而在NMOS版本中为较低电势。由于MOSFET在三极管区域电对称，因此它们将在两个方向上均等地传导电流。使用这种方法，晶体管的最大VGS和VDS额定值必须大于电池电压。
不幸的是，这种方法仅对负载侧电路有效，不适用于可以为电池充电的电路。电池充电器将产生功率，重新使能MOSFET并重新建立与反向电池的连接。图2显示了使用NMOS版本的示例，其中电池处于故障状态。
图2带有电池充电器的负载侧保护电路
连接电池后，如果电池充电器未激活，则负载和电池充电器会与反向电池安全地分离。但是，如果充电器变为活动状态（例如，如果连接了输入电源连接器），则充电器会从NMOS的栅极到源极之间产生电压，从而增强NMOS的导电性。这可以在图3中更好地显示。
图3电池充电器电路的常规反向电池保护失败
负载和充电器与反向电压隔离，但是保护MOSFET现在承受着极高的功耗。在这种情况下，电池充电器变为电池放电器。当电池充电器为MOSFET产生足够的栅极支持以吸收充电器提供的电流时，电路将达到平衡。例如，如果一个强大的MOSFET的VTH约为2V，并且充电器可以提供2V的电流，那么电池充电器的输出电压将稳定在2V，而MOSFET的漏极将为2V加上电池电压。 MOSFET的功耗为ICHARGE×（VTH + VBAT），加热MOSFET直到它流离印刷电路板为止。该电路的PMOS版本遭受同样的命运。
下面介绍了先前方法的两个替代方案，每个替代方案都有优点和缺点。
N沟道MOSFET设计
第一种方法使用NMOS阻挡器件，如图4所示。
图4可能的反向电池电路
该电路的原理是，如果电池电压超过电池充电器输出电压，则必须禁用阻塞MOSFET。在该电路MN1中，如上述的NMOS方法那样，连接在充电器/负载与电池端子之间的连接的低端。
但是，晶体管MP1和Q1现在提供了一个检测电路，如果电池反向，该检测电路将禁用MN1。反向连接的电池会将MP1的源极提升到其栅极上方，该栅极连接到充电器的正极端子。然后，MP1的漏极通过R1将电流输送到Q1的基极。然后，Q1将MN1的栅极并联至地，以防止电荷电流流入MN1。在反向检测期间，R1控制流向Q1的基极电流，而R2在正常工作时为Q1的基极提供泄漏。 R3赋予Q1将MN1的栅极拉到地的权力。 R3 / R4分压器限制了MN1栅极上的电压，因此在反向电池热插拔期间栅极电压不必下降得太远。
最坏的情况是当安装了反向电池时，电池充电器已经处于活动状态并产生恒定电压。在这种情况下，需要尽可能快地关闭MN1，以限制耗散高功率的时间。具有R3和R4的此电路版本最适合12V铅酸应用，但是在较低电压应用（例如1节和2节锂离子产品）中可以省去R4。电容器C1提供了一个超快速电荷泵，可在反向电池连接期间向下驱动MN1的栅极。 C1在最坏的情况下特别有用，在最坏的情况下，当电池接反时，充电器已经启用。
该电路的缺点是需要额外的组件，并且R3 / R4分压器会给电池带来小的但连续的负载。
这些元件大多数都是很小的。 MP1和Q1并不是功率器件，通常可以以SOT23-3，SC70-3甚至更小的封装形式找到。 MN1应该是非常导电的，因为它是传输设备，但在物理上不必很大。由于它在具有大栅极增强功能的深三极管中工作，因此即使对于中等电导率的器件，其功耗也将很低。例如，通常在SOT23-3中也可以找到100mΩ以下的晶体管。
然而，小传输晶体管的缺点是，与电池充电器串联的额外阻抗会延长恒压充电阶段的充电时间。例如，如果电池及其电缆具有100mΩ的等效串联电阻，并且使用100mΩ的阻塞晶体管，则恒压充电阶段的充电时间将加倍。
MP1和Q1的检测和禁用电路在禁用MN1方面不是特别快，并且不需要。尽管在反向电池连接期间MN1的功耗很高，但关断电路仅需要“最终”断开MN1的连接。在MN1加热到足以损坏之前，需要断开MN1的连接。断开时间以几十微秒为单位可能很好。另一方面，在反向电池有机会拉动充电器且负载电压为负之前禁用MN1至关重要，因此需要C1。本质上，该电路同时具有交流和直流禁用路径。
该电路已使用铅酸电池和LTC4015电池充电器进行了测试。图5显示了发生反向电池热插拔时电池充电器处于OFF状态。没有反向电压传输到充电器和负载。
图5充电器关闭时的NMOS保护电路
注意，MN1需要VDS额定值等于电池电压，而VGS额定值等于电池电压的一半。 MP1需要VDS和VGS额定值等于电池电压。
图6显示了发生反向电池热插拔时充电器启动并运行的更严重情况。反向连接将充电器侧的电压拉低，直到检测和保护电路将其断开，从而使充电器安全地返回其恒定电压水平。动态因应用而异，电池充电器上的电容将在结果中发挥关键作用。在该测试中，电池充电器同时具有高Q陶瓷电容器和低Q聚合物电容器。
图6充电器运行时的NMOS保护电路
无论如何，建议在电池充电器上使用铝聚合物电容器和铝电解电容器，以提高正常正向电池热插拔期间的性能。由于其极端的非线性，纯陶瓷电容器在热插拔期间会产生过高的过冲，因为当电压从0V增加到额定电压时，其电容会骤降80％。这种非线性特性促使低电压下有大电流流过，同时随着电压的升高迅速减小电容。致命的组合会导致很高的电压过冲。根据经验，陶瓷电容器和低Q，电压稳定的铝甚至钽电容器的组合似乎是最可靠的组合。
P沟道MOSFET设计
使用PMOS晶体管作为保护器件的第二种方法如图7所示。
图7 PMOS晶体管通过元件版本
在该电路中，MP1是电池反向检测设备，MP2是电池反向阻止设备。电池正端与MP1的源极至栅极电压输出的电池充电器进行比较。如果电池充电器的端子电压高于电池电压，则MP1禁用一次通过设备MP2。因此，如果将电池电压驱动到地，则检测设备MP1显然会通过将其栅极干扰其源极来关闭通过设备MP2。无论电池充电器是启用，充电电压还是0V禁用，它将提供此服务。
该电路具有最大优势，即PMOS阻塞晶体管MP2无权将负电压传输到充电器电路并进行任何负载。图8更清楚地说明了这一点。
图8级联效果图
通过R1，MP2栅极处可达到的最低电压为0V。即使MP2的漏极被拉到远低于地的水平，其源极也不会施加明显的向下压力。一旦源极电压下降到高于地电位的晶体管的VTH，晶体管便会自我偏置，其电导会衰减。源极接地的距离越近，晶体管的偏置就越多。这种特性以及简单的拓扑使该方法比以前显示的NMOS方法更具吸引力。与NMOS方法相比，它确实具有PMOS晶体管电导率较低和成本较高的缺点。
尽管比NMOS方法简单，但该电路还有另一个缺点。虽然它总是可以防止反向电压，但它可能并不总是将电路连接到电池。如图所示，在栅极交叉耦合的情况下，电路形成了一个闩锁存储元件，可能会选择错误的状态。尽管难以实现，但存在这样一种情况：充电器正在产生电压（例如12V），电池以较低的电压（例如8V）连接，并且电路断开。在这种情况下，MP1的源极至栅极电压为+ 4V，从而增强了MP1并禁用了MP2。图9中显示了这种情况，节点上列出了稳定的电压。
图9 PMOS保护电路可能卡住状态的图示
为达到此条件，在使用电池时必须已插入充电器。如果在启用充电器之前先使用电池，则电池会完全禁止MP1，从而将MP1的栅极上拉。充电器打开时，它会产生受控电流，而不是大电流奔流，从而减少了MP1打开和MP2关闭的机会。
另一方面，如果在连接电池之前启用了充电器，则MP1的栅极仅在电池充电器输出被泄放电阻R2上拉时跟随电池充电器的输出。没有电池，MP1根本没有开启和脱离MP2的倾向。
当充电器已经启动并且正在运行，然后安装了电池时，就会出现此问题。在这种情况下，充电器输出和电池端子之间会出现瞬时差异，这将促使MP1脱离MP2，因为电池电压会迫使充电器电容吸收。这构成了MP2从充电器电容器中带走电荷的能力与MP1脱离MP2的能力之间的竞争状态。
该电路还使用铅酸电池和LTC4015电池充电器进行了测试。将负载重的6V电源作为电池仿真器连接到已启用的电池充电器，永远不会触发“断开”状态。测试并非详尽无遗，应在关键应用程序中进行更彻底的测试。即使电路确实闭锁，禁用电池充电器并重新启用它也始终会导致重新连接。
图10充电器关闭时的PMOS保护电路
图11充电器运行时的PMOS保护电路
通过从R1的顶部到电池充电器输出的临时连接，人为地操纵电路，可以证明故障状态。然而，据信该电路具有比不具有更高的连接倾向。如果连接故障确实成为问题，则可以设计一种电路，使更多设备无法使用充电器。在图12的更完整电路中显示了一个示例。
图12高压反向电池保护
图10显示了禁用了充电器的PMOS保护电路的结果。请注意，电池充电器和负载电压均无负电压传输。图11显示了在反向插入的电池被热插拔时，在已接合的充电器处于险恶状态下的该电路。与NMOS电路的结果无法区分的是，反向电池在断开电路通过晶体管MP2断开之前，将充电器和负载电压降低了一些。
在此电路版本中，晶体管MP2必须能够承受两倍于电池电压的VDS（一个用于充电器，一个用于反向电池）和一个电池电压的VGS。另一方面，MP1必须承受一个电池电压的VDS和两倍电池电压的VGS。不幸的是，由于MOSFET的额定VDS总是超过额定VGS，因此这一要求很不幸。可以找到VGS容差为30V且VDS容差为40V的晶体管，这些晶体管适用于铅酸应用。为了支持更高电压的电池，必须使用额外的齐纳二极管和限流电阻来修改电路。
图12显示了一个电路示例，该电路可以处理两个串联堆叠的铅酸蓄电池。 D1，D3和R3保护MP2和MP3的栅极免受高压侵害。当反向插入电池时，D2可以防止MP3的栅极泵入地下，并且可以防止电池充电器随其输出。 MP1和R1通过利用LTC4015缺少的RT功能来检测电路何时具有反向电池或处于错误的断开锁存状态，并禁用电池充电器。
可以为基于电池充电器的应用开发反向电压保护电路。本文开发了一些电路，并进行了简短测试，结果令人鼓舞。反向电池问题没有灵丹妙药，但是希望所示的方法能为我们提供一个简单，低成本的解决方案的充分启示。
