防反接電路的用處很容易理解，實現(xiàn)也相對簡單，但是防倒灌電路則可能到用到的時候才會發(fā)現(xiàn)有點復雜。比方說，一個東西既支持用PD 供電輸入20V，又可以直接DC 輸入24V，USB 5V 供電時也能亮，還允許插著DC 供電的同時插著USB 線連接上位機，并且傳輸數(shù)據(jù)的USB 接口和PD 供電接口是同一個，這時問題就出現(xiàn)了，DC 24V 可能會通過USB 的VBUS 直沖上位機。
最萬無一失、最豪華的方案可能是給VBUS 上串一個隔離變壓器，先逆變再變回DC，這樣一來有變壓器擋著，后級電壓絕對跑不到上位機去。說不定有些地方就是這么做的，只不過太豪華了。最貧窮的就是直接串個二極管，和最簡單的防反接電路一樣，但是當VBUS 需要在PD 模式下承擔功率時問題就復雜了，二極管的功耗不可接受。一種方案是所謂的理想二極管，就是功能和二極管一樣，可以反向截止，實現(xiàn)防反接和防倒灌保護，又沒有二極管的正向壓降。只不過專用的理想二極管芯片太貴了，趕得上一片STM32，規(guī)格也太高，車規(guī)、上百伏電壓什么的。
Reverse Current Protection Using MOSFET and Comparator to Minimize Power Dissipation
使用MOSFET 和比較器實現(xiàn)反向電流保護，從而減小功耗。
反向電流的定義
反向電流是指負載端試圖將電流倒灌回電源。這種現(xiàn)象可能在電源電壓突然降低或者完全消失的時候發(fā)生，以及當電源連接時，負載端的退耦、旁路電容或者電池也可能使電流倒灌。此外，負載端電壓可能超過電源端，這也會導致反向電流，比如存在感性負載導致的反向電壓，或者由失效的電池充電電路外泄的電壓。
注：當然也可能出現(xiàn)在并聯(lián)多個電源的時候，一個電源往另一個電源嘴里塞
基于比較器的反向電流保護
如圖1 所示，一個比較器輸入端跨接在MOSFET 兩端，從而檢測電路中電流的方向：
注：這里NMOS 的用法和防反接電路里的PMOS 類似，都是讓體二極管方向和電流方向相同。用前面的電荷泵實現(xiàn)NMOS 高邊驅動
在正常的正向電流情況下，由于MOS 管的導通電阻R d s ( o n ) R_{ds(on)}R
ds(on)
，MOS 管的源極到漏極會存在一個輕微的壓降，使漏極電壓低于源極。比較器檢測的就是這個壓降。當電流反向，漏極的電壓將會高于源極，比較器檢測到這種情況，然后輸出低電平，使MOS 管關斷，從而斷開負載。
注：MOS 管具有雙向導電性，已經(jīng)開啟的MOS 管上電流可以雙向流動，和BJT 三極管不同。
MOS 管導通時兩端能產(chǎn)生的壓降不過數(shù)十毫伏，共地連接的比較器需要精心設計輸入電壓偏置電路，使共模輸入電壓保持在比較器的工作參數(shù)范圍內(nèi)。這個附加的偏置電路也會增加噪聲和漂移，影響對小信號的檢測。
為了消除偏置電路引入的噪聲和漂移，同時還能提供足夠的電流用來驅動MOS 管，比較器的公共端（接地端）懸空連接到電源電壓（V B A T T V_{BATT}V
BATT
），于是輸入端和輸出端都能直接連接到MOS 管上。
注：接地端接到電源電壓，運放的共模輸入電壓以電源正端為參考，等于給輸入加了一個負的偏置
此時要讓比較器能工作，需要給它提供高于V B A T T V_{BATT}V
BATT
的供電電壓。比較器的供電電壓（電源正端到接地端的壓差）不能太低，否則無法驅動MOS 管使其完全導通，但是也不能高于MOS 管的柵極最高電壓V G S ( m a x ) V_{GS(max)}V
GS(max)
。對于大部分MOS 管，5V 是個不錯的柵極驅動電壓。
要生成這個高于V B A T T V_{BATT}V
BATT
的電壓用來驅動比較器和MOS 管，這里使用了一個電荷泵。給電荷泵電路輸入一個方波信號就能輸出高于V B A T T V_{BATT}V
BATT
的DC 電壓。由于電荷泵的輸入是一個電容，也就是交流耦合的，所以允許使用一個基于地電平的振蕩器作為信號源。完整電路如下圖：
注：左邊555 輸出方波，加上D2、C2、D3、C3 就組成所謂的迪克森電荷泵。R2 和C4 是RC 濾波，Z1 用來給運放穩(wěn)壓
比較器放在MOS 管旁邊檢測V D S V_{DS}V
DS
電壓。為了最小化V B A T T V_{BATT}V
BATT
線上的噪聲或瞬態(tài)影響，比較器電路懸空放在V B A T T V_{BATT}V
BATT
上。這消除了共模抑制的問題，也不再需要一個會造成信號減速和衰減的輸入偏置電路。
注：原文這里寫了一大段介紹電荷泵的原理，簡直和寫論文水字數(shù)一樣~ 就不翻譯了，想知道的可以去搜個視頻講解看看，絕對比干看文字舒服
比較器反相輸入端的二極管D4A，D4B（BAT54A 是雙肖特基二極管） 和電阻R5 用來將反相輸入電壓鉗位到V B A T T ± 300 V_{BATT} \pm 300V
BATT
±300 mV。如果反相輸入端被拉低到小于V B A T T V_{BATT}V
BATT
時就需要鉗位，比如當上電時，MOS管通過體二極管導通。這個鉗位電路也會在負載端產(chǎn)生高于V B A T T V_{BATT}V
BATT
的反向電壓時起到保護作用。
R6 是下拉電阻（或者說是柵極放電電阻），用來在比較器未工作時保證MOS 管不導通。
R3 和R H Y S T R_{HYST}R
HYST
為比較器提供可選的遲滯，如果在無負載或小負載時有噪聲或振蕩，遲滯能保證穩(wěn)定。遲滯的數(shù)值要在穩(wěn)定性和最小的導致比較器觸發(fā)的反向電流這兩方面做出取舍，遲滯越大，反向電流的最小觸發(fā)值就越大。關于遲滯特性的信息，可以參考原文第7 段 - 參考文獻。
旁路電容C5 是必要的，因為電荷泵需要一個對地交流阻抗較低的通路才能正常工作。如果沒有C5，電荷泵的峰值電流可能從MOS 管的檢測部分流過，導致比較器被錯誤觸發(fā)，尤其是當MOS 管處于反向電流保護狀態(tài)或體二極管狀態(tài)。
注：可能是指會有電流從電荷泵經(jīng)過MOS 管的體二極管流過，導致漏極比源極電壓低，比較器就會使MOS 管導通
元件選取
MOSFET
MOS 管的導通電阻R D S ( o n ) R_{DS(on)}R
DS(on)
對電路的性能有最大的影響，導通電阻越低，觸發(fā)保護所需的反向電流就越大。這是因為導通電阻越低，MOS 管上的壓降就越低，因而需要更大的反向電流才能達到比較器的觸發(fā)電壓。
注：意思就是觸發(fā)保護之前可能出現(xiàn)較大的瞬間反向電流，如果電源端有TVS 以及別的鉗位保護，或者輸出電容夠大、ESR 夠低，那么只要反向電流持續(xù)時間足夠短應該就沒事，也就是要比較器動作快。以及導通電阻非常低這個優(yōu)點此時變成了缺點，那么天生導通電阻比較大的PMOS 其實更適合用在這里
必須要指出的是，MOS 管的導通電阻具有正溫度系數(shù)，也就是導通電阻隨溫度增加而增加。這就導致當溫度上升時，反向電流閾值會下降，反之則上升。所以必須在低溫時測試最大觸發(fā)電流。
注：所謂的worst case 是在低溫時，溫度上升后這個電路的表現(xiàn)會提升
如果一個MOS 管的導通電阻是20mΩ，1A 的反向電流就會在MOS 管漏極和源極之間產(chǎn)生20mV 壓降。這時的柵源電壓V G S ( o n ) V_{GS(on)}V
GS(on)
就被叫做“感應”電壓。
注：原文 This VGS(ON) voltage will be referred to as the “sense” voltage，沒看懂
對于上圖的電路，MOS 管選擇了Nexperia 的BUK9K17-60，在V G S V_{GS}V
GS
約4V 時它的導通電阻約20mΩ，V D S ( m a x ) V_{DS(max)}V
DS(max)
為60V，封裝是SO-8，方便用在面包板上。
比較器
運放的輸入失調電壓可被視為和輸入的檢測電壓串聯(lián)，取決于失調電壓的極性，它可能提高或者降低實際輸入的檢測電壓，從而成為影響閾值電壓的最重要因素之一。微小的檢測電壓必須克服失調電壓后才能到達到比較器的閾值。比較器的數(shù)據(jù)手冊中，失調電壓的規(guī)格是不分極性的絕對值（±1mV），所以在計算誤差范圍時，必須綜合考慮失調電壓的兩種極性。
MOS 管的柵極電容較大，通常約1nF，所以為了避免遲緩的開關時間，采用推挽輸出的比較器更合適。為了實現(xiàn)盡量快的響應時間，比較器必須盡可能快的關閉MOS 管，更強的電流輸出能力允許比較器更快的開關MOS 管。
Suitable devices are the TLC3701, TLV3201, TLV7011, LMV761 and LMV7239 comparator families.
其他元件
R2 電阻的取值要考慮到對比較器啟動時間的不利影響，因為冷啟動上電后，比較器的旁路電容C3 要經(jīng)過R2 充電。C4 電容的容量越大，比較器電路的啟動時間也越長，在這段時間內(nèi)，MOS 管處于體二極管正偏導通狀態(tài)。然而，如果V B A T T V_{BATT}V
BATT
電壓被中斷或者瞬間降低，較大的C4 容量可以提供更長的“保持時間”，讓電路仍能發(fā)揮保護效力。
仿真
注：測試電路是讓V B A T T V_{BATT}V
BATT
極性周期變化，看比較器電路能不能截斷負載端的負半周電流，就像二極管那樣。第一條線I l o a d I_{load}I
load
是負載端電流，第二條是V B A T T V_{BATT}V
BATT
，第三條是比較器的輸出電壓V c o m p o u t V_{compout}V
compout
。比較器輸出高電平時MOS 管導通
如上圖4 所示，當I l o a d I_{load}I
load
電流過零，向負方向移動時，比較器的輸出變?yōu)榈碗娖疥P斷了MOS 管，隔離了負載，將負載端電流變?yōu)榱恪?br />
上圖5 展示了電流負半周和比較器輸出狀態(tài)的放大視角，可以看出反向電流觸發(fā)點的位置。
注：圖里可以看出電流是先反向走了一會然后比較器才觸發(fā)，所以上半部分的I l o a d I_{load}I
load
曲線有一個負尖峰，但是后面電流上升的時候比較器動作幾乎沒有延遲
反向電流的檢測用了更長的時間，因而圖中的電流曲線出現(xiàn)了“下沖”，這是因為這時MOS 管正處于導通狀態(tài)，導通電阻很小，所以MOS 管上的壓降很小。電流上升時則相反，此時MOS 管不導通，兩端的壓降是體二極管的0.8V 正向壓降。如果反向電流的下沖是不可接受的，或許有必要給MOS 管串聯(lián)一個電阻，從而增加壓降。
對反向電流的響應時間取決于四個參數(shù)：
MOS 管的導通電阻R D S ( o n ) R_{DS(on)}R
DS(on)
；
比較器的失調電壓；
比較器的傳播延遲；
電流曲線的上升/下降時間；
比較器的遲滯；
第1、2和第5 個參數(shù)在DC 環(huán)境有最大的影響，會延長轉變時間?？紤]到不同MOS 管的參數(shù)差異以及不同負載下的變化，導通電阻可能造成最大的影響。
當電流的邊緣上升/下降率和比較器的響應時間接近時，第3 和第4 個參數(shù)會決定觸發(fā)電流的最小值。因為比較器的響應時間基本固定，所以電流邊緣更加陡峭時，反向電流的最大值會上升?？梢允褂盟俣雀斓牡谋容^器，但是電路的響應時間還取決于比較器驅動MOS 管的速度，MOS 管柵極電容充放電的過程也會造成延遲。
注：意思就是如果電流曲線非常陡峭，那么到比較器準備關斷MOS 管時，電流已經(jīng)遠遠超過了觸發(fā)點
添加遲滯可以最小化電流接近閾值時的振蕩，但是也會對觸發(fā)點造成很大影響。
測試結果
注：這部分是實際電路的測試結果，同樣挑重點
負載電流驗證
注：測試原理和仿真的相同，左半邊是保護關閉的情況，右邊圖里最上邊是被保護電路砍掉負半周的負載電流。藍線和綠線之間是比較器的供電電壓，基本不隨V B A T T V_{BATT}V
BATT
的起伏變化
左圖中頂部青色電流曲線清楚的顯示了負載電流變化的過程：下降到-2A，過零，然后上升到+2A。綠色曲線是V B A T T V_{BATT}V
BATT
電壓，在11V 到13V 之間變化。藍色線是比較器由電荷泵產(chǎn)生的供電電壓，由穩(wěn)壓管控制在V B A T T V_{BATT}V
BATT
+ 5V。藍色線是比較器驅動MOS 管的輸出電壓，輸出低電平時，實際電壓等于V B A T T V_{BATT}V
BATT
，高電平則等于供電電壓。當電流反向時比較器輸出低電平，電流正向時為高電平。
電路的運作
保護電路啟用后，由上面的圖7 可見，當負載電流過零轉入負半周時，比較器輸出低電平，導致負載電流負半周被截斷，當負載電流過零上升時，比較器輸出高電平。當反向電流接近觸發(fā)點時，比較器的輸出存在輕微的振蕩。
上圖8（左邊）展示了反向電流（青色）的下沖區(qū)和比較器的輸出狀態(tài)（玫紅），當反向電流接近-150mA 時，比較器的輸出發(fā)生了振蕩（左邊下降沿），當反向電流達到-300mA 時，比較器被完全觸發(fā)。在電流的負半周，MOS 管保持關斷狀態(tài)，因為比較器輸出低電平，MOS 管柵源電壓V G S V_{GS}V
GS
= 0V。
在比較器應用中，當輸入信號（差模電壓）接近零，并且處于轉變的邊緣時，這種振蕩是常見的，此時比較器是被噪聲觸發(fā)。后文會討論如何減少振蕩。
當電流過零上升時，比較器輸出高電平，驅動MOS 管開啟，接通負載。在沒有導通時，MOS 管兩端的電壓是最大的，由于正向偏置的體二極管在MOS 管兩端制造的大約700mV 的電壓，正向開啟的速度更快，觸發(fā)的一致性也更好。
上文已經(jīng)提到過，反向電流下沖的量主要取決于MOS 管的導通電阻，比較器的失調電壓以及附加的遲滯。
應用遲滯
要減少比較器的輸出振蕩，可以給電路添加遲滯。然而，遲滯會提高觸發(fā)點（絕對值），從而降低靈敏度并提高反向電流的觸發(fā)點。
上圖9（右邊）展示了添加1MΩ 遲滯電阻（R H Y S T R_{HYST}R
HYST
）降低振蕩的效果。可看出，反向電流的觸發(fā)點移動到了大約-500mA，因為比較器需要更高的輸入電壓以克服遲滯效應增加的閾值。
注：不過也可以看出，下降沿的振蕩確實沒了
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