简 介： 本文分析了单向电源保护电路的设计与工作原理。通过PMOS管实现低功耗反向保护，详细讨论了由两个PNP三极管构成的电流镜电路的工作特性，发现其电流放大倍数存在差异。仿真验证了电路在正向连接时能正常输出，反向连接时可有效切断电源。文章指出简化电路仅使用PMOS管也能实现反向保护功能，但存在三极管击穿风险，建议增加保护二极管。最终探讨了简化设计与传统方案的优劣，为电源保护电路设计提供了实用参考。

关键词： PMOS，电源反接保护，单路简化

01 单向电源保护电路

一、电源保护电路

  刚才看到了别人在网络上给出的一个电源反向保护电路。  输入电源， 通过PMOS管给负载R3提供电压。 由于PMOS管导通电阻非常小， 可以看到它两边电压降 仅仅只有34mV左右。 这比起使用二极管防止反接方案可以减小很多的功耗。 但是，一开始看到下面辅助电路是由两个PNP三极管构成的电流镜电路。  左边Q2的基极电压比输入电压小了一个 二极管导通电压， 使得他的集电极电压大约为11.3V左右。  直觉上， 后边的集电极 电压也应该是在11.3V左右。  这样，PMOS管应该不导通才是。 为什么PMOS栅极电压对应Q1的集电极 电压很低呢？

二、工作点分析

  这里给出了这个电路仿真后各个关键节点的电压和电流。  可以看到， 两个三极管的基极电压为11.38V。 所以Q2得集电极电压是11.38V。  但是， Q1的集电极 电压只有3.35V。 所以PMOS管是可以导通的。 根据Q2的发射极电路，  以及对应的基极电流，  可以计算出Q2此时的电流放大倍数为 200。 同样， 根据Q1的发射极电流 以及基极电流， 计算出它此时的电流放大倍数为 216。 比左边的三极管的电流放大倍数要大一些。 这有点出乎我的意料。   既然是电流镜， 为什么左右不相同呢？ 因为右边三级的发射极电压比左边略低一些。  这样就使得它的工作点比左边小。  由此，可以知道它对应的集电极 电压也就比左边要低了。 由此使得 PMOS 管能够导通。

三、输入输出控制

  左边的三极管Q2，  似乎仅仅给右边的三极管提供了一个基极偏置电压，  如果将它 与右边断开，  使用一个电压源独立给右边提供基极偏置电压。  下面查看一下电路输出负载电压与Q1基极偏置电压之间的关系。  将仿真电路进行改造。  V2电压源提供一个从0V上升到12V的变化的偏置电压。 绘制输出负载电压以及Q1的集电极电压， 仿真结果有一点出乎我的意料。  绿色曲线是偏置电压。  在它达到10.6V之前，  电路输出负载电压是一个恒定值， 大约为 11.3V。 当Q1的偏置电压超过10.6V之后，  输出电压逐步上升到12V左右。  三极管的集电极电压， 也就是PMOS管的栅极电压就会迅速下降到0V。

  之所以在偏置电流低的情况下，  输出电压恒定在11.3V左右。  实际上，这个输出电压是由PMOS管的体二极管决定的。  他的电压降大约为 0.7V， 所以输出电压就恒定在11.3V左右了。

四、反向保护

  下面来看一下这个电路反向保护的功能。  将电阻和输入电压元对调。 这是最简单的一个保护测试。 也可以将输入电压修改成负电压进行测试。  仿真测试，查看一下电路的输出。  只有 225nV。 在这种情况下，  Q2是截止的。 Q1通过R1进行偏置。  Q1处于饱和状态 。 它的集电极 电压达到了接近12V的高压状态，  对于PMOS来说，  无法反向导通的。 所以输出电压为0。

  下面，将输入电压修改成负12V。  查看一下电路的保护功能。  通过仿真结果来看，  负载电压基本上是0V，  PMOS管体二极管也无法导通。  Q1三极管现在处在截止状态下。  对应的基极电压很小。 Q1三极管也是截止。  PMOS管的栅极电压基本上为0V。 但是，对于PMOS管来说， 这个电压仍然是反向偏置， 所以无法导通。 现在问题来了，   我们知道，普通的三极管的BE之间的PN结 反向耐压都很低。 有的三极管反向击穿电压只有6V左右。  这里就会产生一个漏洞。 一旦Q2 BE之间的PN结 被击穿， 输出负载上就会通过Q1，Q2基极通道连接到负电压。 造成负载危险。  那么，怎么解决这个问题呢？

  一种简单的方法，  就是在电路中增加两个二极管。 可以防止三极管被击穿。  同时不影响输出电压。  如果将D2去掉，  只保留D1，  输出电压就会下降。  所以两个二极管必须都加上。

  从仿真结果上来看，  二极管D2增加到Q1的发射极也是一样的， 都可以维持输出电压接近12V。

五、简化电路

  这个电路需要这么复杂吗？ 左边的电路实际上是给右边的三极管提供一个偏置电压。  如果将三极管去掉，  直接使用二极管进行偏压不是也可以吗？ 通过仿真结果来看，  输出仍然非常好。  如果将所有的这些都去掉。 仅仅使用PMOS管呢？  可以看到， 输出电压也正常。  将输入电压反接。 输出依然可以得到保护。  那么问题来了， 前面分析的这些电路是不是都有点多余了呢？

※ 总  结 ※

  本文分析了一个使用PMOS进行电源反接的电路。  通过仿真了解了电路的工作原理。  如果将电路简化成一个PMOS管， 反向电源保护也可以得到解决。 这里面会存在什么问题吗？