Chống ngược cực bằng MOSFET – Hướng dẫn thiết kế
Nếu đảo ngược nguồn điện của mạch, chẳng hạn nối dây dương vào đất và dây âm vào Vcc của mạch. Hai điều tồi tệ có thể xảy ra, hoặc mạch điện do chúng tôi thiết kế có thể bị cháy cùng với tất cả các linh kiện đắt tiền trong đó, hoặc nguồn điện tự nó có thể bị phá hủy. Mọi thứ càng trở nên nguy hiểm hơn nếu mạch được cấp điện bằng pin. Đảo ngược cực tính của pin là điều tồi tệ nhất có thể xảy ra đối với mạch điện vì nó không chỉ làm hỏng mạch điện mà còn có thể gây ra cháy nổ khiến nó trở thành mối đe dọa tiềm tàng.
Nhưng lỗi của con người có thể xảy ra và do đó trách nhiệm của nhà thiết kế là đảm bảo mạch của mình có thể xử lý các điều kiện ngược cực một cách an toàn. Đây là lý do tại sao hầu hết tất cả các mạch đều có thêm một mạch an toàn ở phía đầu vào của nó được gọi là mạch Chống ngược cực bằng MOSFET . Trong bài này, chúng ta sẽ thảo luận về mạch bảo vệ phân ngược cực MOSFET rất hiệu quả để bảo vệ mạch khỏi các hư hỏng liên quan đến ngược cực. Mạch cũng có thể hoạt động như một mạch bảo vệ ngược cực của pin, do đó , hướng dẫn thiết kế tương tự có thể được sử dụng để bảo vệ mạch của bạn ngay cả khi nó được cấp nguồn bằng bộ chuyển đổi DC bên ngoài hoặc Pin.
Bảo vệ mạch khỏi ngược cực
Có một số tùy chọn để bảo vệ mạch khi ngược cực. Hầu hết thời gian, các thiết bị hoạt động bằng pin sử dụng các loại đầu nối pin đặc biệt không cho phép đầu nối pin kết nối theo thứ tự ngược lại. Đây là biện pháp bảo vệ cực ngược về mặt cơ học cho pin. Một sự lựa chọn khác là sử dụng một diode Schottky nhưng đó là cách không hiệu quả nhất để bảo vệ mạch khỏi ngược cực.
Sử dụng Diode Schottky để bảo cực ngược và các nhược điểm của nó
Trong hình ảnh dưới đây, một diode Schottky được sử dụng nối tiếp với đường điện sẽ bị phân cực ngược trong điều kiện phân cực ngược và ngắt kết nối mạch. Trước đây chúng ta cũng đã thảo luận về vấn đề này trong phần Ứng dụng của điốt trong một bài viết trước.
Hình ảnh bên trái là kết nối thích hợp của phân cực nhưng hình ảnh bên phải là điều kiện phân cực ngược. Trong quá trình kết nối phân cực ngược, diode Schottky chặn dòng điện.
Nhưng, mạch trên không hiệu quả do dòng tải không đổi qua diode Schottky. Ngoài ra, điện áp trên đầu ra của diode Schottky nhỏ hơn điện áp đầu vào do sự sụt giảm điện áp chuyển tiếp của diode. Vì vậy, bằng cách sử dụng phương pháp trên, nó sẽ bảo vệ mạch khỏi việc ngược cực nhưng không phải là một cách hiệu quả.
Cách thích hợp để tạo mạch bảo vệ ngược cực là sử dụng PMOS MOSFET hoặc NMOS MOSFET đơn giản. Nên sử dụng PMOS vì PMOS cắt các đường dây dương và mạch sẽ không nhận được bất kỳ điện áp nào và có ít khả năng xảy ra hậu quả có hại hơn nếu mạch làm việc ở điện áp DC cao.
PMOS MOSFET để bảo vệ điện áp ngược
Bóng bán dẫn hiệu ứng trường (FET) là một loại bóng bán dẫn sử dụng điện trường để điều khiển dòng điện chạy qua nó. FET là thiết bị có ba thiết bị đầu cuối là nguồn, cổng và cống. FETs kiểm soát dòng chảy của dòng điện bằng cách đặt một điện áp vào cổng, do đó làm thay đổi độ dẫn điện giữa cống và nguồn. Đây là điều cơ bản được sử dụng trong P-MOSFET như một công tắc trong bảo vệ ngược cực.
Hình dưới đây mô tả mạch bảo vệ ngược cực PMOS .
PMOS được sử dụng như một công tắc nguồn kết nối hoặc ngắt tải khỏi nguồn điện. Trong quá trình kết nối đúng nguồn điện, MOSFET sẽ bật do VGS (Cổng vào Điện áp nguồn) thích hợp. Nhưng trong tình huống Đảo cực, điện áp Cổng vào Nguồn quá thấp để bật MOSFET và ngắt tải khỏi nguồn điện đầu vào.
Điện trở 100R là điện trở cổng MOSFET được kết nối với diode Zener . Diode Zener bảo vệ cổng khỏi quá áp.
Mô phỏng thực tế trong Orcad PSPICE
Mạch trên có tất cả các thành phần cần thiết để bảo vệ cực ngược. V1 là nguồn có cực tính hoàn hảo. MOSFET kênh P nhận được phân cực từ Điện trở 100R và điốt 6,8V Zener 1N4099. Tải là một điện trở 10R.
Mô phỏng cho thấy mạch đang hoạt động bình thường theo đúng cực của nguồn điện. Diode Zener bảo vệ cổng khỏi quá áp và tải nhận được 1,3A với 13,9V.
Trong hình trên, nguồn được đảo ngược. Tải được tắt hoàn toàn và mạch hoạt động như một bộ bảo vệ cực ngược. Bạn cũng có thể xem video bên dưới giải thích hoạt động của mạch với mô phỏng:
Chọn MOSFET để Chống ngược cực bằng MOSFET
Bạn nên sử dụng PMOS thay vì NMOS. Điều này là do PMOS được sử dụng trong đường dây dương của mạch chứ không phải đường dây âm. Do đó, PMOS cắt các đường dây dương và mạch sẽ không có bất kỳ điện áp dương nào. Tuy nhiên, NMOS được sử dụng trong đường dây âm, do đó ngắt kết nối đường dây âm không ngắt kết nối mạch khỏi đường dây dương pin. Do đó, trong trường hợp điện áp cao một chiều, ngắt kết nối thanh dương an toàn hơn nhiều so với ngắt kết nối âm và có ít khả năng xảy ra các hậu quả có hại như đoản mạch, điện giật, …
Việc lựa chọn thành phần là một phần quan trọng của mạch này. Thành phần chính là MOSFET kênh P.
MOSFET có các thông số kỹ thuật quan trọng đối với mạch sau đây.
- Kháng nguồn xả (RDS)
- Xả dòng
- Xả đến điện áp nguồn
Kháng nguồn xả (RDS):
RDS là điện trở nguồn. Sử dụng RDS rất thấp (Điện trở nguồn) để tản nhiệt thấp và giảm điện áp rất thấp trên đầu ra. RDS cao hơn sẽ tạo ra khả năng tản nhiệt cao hơn.
Xả dòng:
Đây là dòng điện tối đa sẽ đi qua MOSFET. Do đó, nếu mạch tải yêu cầu dòng điện 2A, hãy chọn MOSFET sẽ chịu được dòng điện này. Trong trường hợp như vậy, Mosfet với dòng xả 3A sẽ là một lựa chọn tốt. Chọn thông số này lớn hơn yêu cầu thực tế.
Xả đến điện áp nguồn :
Xả đến điện áp nguồn của MOSFET cần phải cao hơn điện áp của mạch. Nếu một mạch yêu cầu tối đa là 30V, thì cần phải có MOSFET với điện áp nguồn là 50V để hoạt động an toàn. Luôn chọn thông số này lớn hơn yêu cầu thực tế.
Trong quá trình ngược cực, MOSFET sẽ bị tắt do không đủ Vgs, và sẽ không có ảnh hưởng đến mạch tải cũng như MOSFET. Các thông số trên được yêu cầu trong điều kiện bình thường và cần được lựa chọn cẩn thận.
Lựa chọn điện áp điốt Zener:
Mỗi MOSFET đi kèm với một Vgs (cổng vào điện áp nguồn). Nếu điện áp cổng vào nguồn tăng hơn định mức tối đa, điều này có thể làm hỏng cổng MOSFETs. Do đó, hãy chọn điện áp diode Zener sẽ không vượt quá điện áp cổng của MOSFET. Đối với Vgs 10V, diode Zener 9.1V sẽ là đủ. Đảm bảo rằng điện áp cổng không được vượt qua định mức điện áp tối đa.
Điện trở 100R trong mạch Chống ngược cực bằng MOSFET
Giá trị điện trở cần phải được chọn sao cho không đủ cao để không làm Zener quá nóng, nhưng đủ thấp để cung cấp đủ dòng phân cực Zener và để phóng điện Cổng nhanh chóng nếu điện áp nguồn đột ngột đảo ngược. Do đó, đây là sự cân bằng giữa thời gian xả Cổng và xu hướng Zener. Trong hầu hết các trường hợp, 100R-330R là tốt nếu có khả năng xuất hiện điện áp ngược đột ngột trong mạch. Nhưng nếu không có khả năng xảy ra điện áp ngược đột ngột trong quá trình làm việc liên tục của mạch, thì có thể sử dụng bất kỳ thứ gì từ giá trị điện trở 1k-50k.
Gợi ý về linh kiện:
Các MOSFET phổ biến nhất được sử dụng cho nhiều loại mạch liên quan đến bảo vệ ngược cực :
- IRF9530
- IRF9540
- Si2323 (Hoạt động dòng và điện áp thấp)
- ILRML6401 (Hoạt động dòng và điện áp thấp)
Mặt hạn chế của mạch Chống ngược cực bằng MOSFET
Hạn chế chính của mạch này là công suất tiêu tán trên MOSFET. Tuy nhiên, điều đó có thể được giải quyết bằng cách sử dụng MOSFET kênh P có RDS về điện trở tính bằng mili giây.