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只要是電池供電的系統，就一直存在這個問題：您錯誤裝入電池，將正負極裝反，產生反向極性事件。系統暫時出現故障或永久損壞。 設計為適合其裝配的系統的定制電池有助于最大程度減少不正確插入和反向極性的機會，但像AAA型、AA型、C型以及D型單體電池等經過檢驗而可靠的現成電池，乃至CR123、CR2和鈕扣鋰電池也很容易出故障。 過去，設計人員使用機械結構來避免與電池端子的電氣接觸（如果未正確插入電池）。但機械解決方案遠不完美。它們通常需要進行特殊加工，因為彈簧觸點需要控制良好的機械組件容差，以確保正確插入電池時接觸良好，但未正確插入不接觸。這些狹小容差可導致長期穩定性問題，因為必需使用的彈簧和觸點可能彎曲或出現故障。即使是正常使用，周而復始的正常插入，也可能導致接觸疲勞，并且隨著時間的推移，限制了可靠性。 但盡管有這些限制，機械解決方案一直存在，因為它們是設計人員可用于防止不正確電池安裝的唯一實際方案。設計為防止由反相電池導致的反向極性事件的電氣解決方案一直存有爭議。 因為正常操作過程中的壓降，通常不選擇使用串聯二極管。使用二極管接地設置也不是一個很好的主意，因為反向極性事件可能導致電池危險放電持續很長時間并使二極管過熱。 分立式MOSFET需要復雜的結構，并且可能未經過優化或特定用于以防止反向極性。在反向極性事件過程中評估性能的關鍵規格可能丟失，并且這可能使設計人員不得不從數據表上的性能特性得出估計值并猜測安全工作時間期，令人擔憂。而且，根據MOSFET的應用方式，它們可能需要一個控制器或其他成本高昂的功能。 多功能IC有時配備有可防止反向極性的電路，這通常明顯增加了電路的復雜性，因為它們能夠在正偏壓環境中工作，然后在反向極性模式中工作或不被損壞。因此，多功能IC帶來了巨大的性能和/或成本代價。由于性價比權衡，典型實施具有相對有限的反向偏壓功能（-2V或-6V）。 專用反極性保護器件是防止錯誤插入電池的有效方法 然而最近，專用反向極性保護器件的出現為設計人員提供了更可行的電氣可選方案。專用器件（如由飛兆提供的器件）代表的是可防止反向極性且性價比和性能最高的方法之一，是電池供電系統的極佳選擇。圖1顯示的是使用專用器件防止反向極性的電路。 圖1：使用專用器件防止反向極性 此簡單設置提供持續可靠的保護。設計需要極小的PCB空間，最大程度地減少了電壓損耗，并在反向偏壓條件下快速有效地進行響應。 整體成本也不錯。串聯肖特基二極管通常比專用反向極性保護器件更便宜，但一旦工作電流開始增大，基于肖特基方法的總成本也就開始上揚。出于性價比權衡，專用反向極性保護器件很可能成為最具吸引力的電子方法。 人們會繼續在電池上犯些錯誤，但設計人員防止小意外的方式也很有可能會改變。考慮全面后，專用反向極性保護器件隨著時間的推移可能會完全取代復雜的機械解決方案。 反極性形成原因及對此可采取的措施 沒有人希望他們的系統出現故障，甚至更嚴重的起火燃燒。但如果允許反向極性進行破壞，就可能會發生上述情況。 反向極性是穩態反向偏壓或負瞬態的結果。這是一種危險的電氣狀況，一旦系統出廠即很難防止。 反向極性風險是各種常見應用中的實際威脅，包括移動電子、電池供電系統、連接至汽車電源的器件、直流供電的玩具、具有桶插孔連接器的產品，或任何經受負電壓熱插拔或電感瞬變的DC器件。支持USB連接和/或USB充電的系統尤其易受影響。 下面是反向極性的一些最常見原因： ●使用第三方生產的售后市場充電器或電源 第三方充電器的市場日益增長，但并非所有充電器都設計都具有反向極性防護。在某些情況下，充電器具有反向電氣觸點或者極性可由用戶設置，這就為出錯留下了空間。 ●使用USB的“熱插拔”功能 總線處于帶電狀態時能方便地連接或斷連移動設備意味著“熱插拔”操作正在增加，熱插拔瞬變的幅度也是如此。這些電感瞬變可將總線擺動至反向極性條件。盡管這些擺動的時間往往很短，但幅度很大。超過±20V的電壓軌擺幅已在“熱插拔”操作中測量到。此瞬變對斷開連接的器件和電壓軌上的其他器件都可能會產生影響。當充電電流增大時，此問題只會更嚴重。 ●使用未正確插入的電池 電池供電的系統可能出現故障，這是因為電池未正確插入，其正負極插反。對于AAA型、AA型、C型以及D型單體電池、或CR123、CR2或鈕扣鋰電池等使用傳統外形尺寸的器件來說尤其如此。如果正確插入電池，機械解決方案可防止與電池端子的電氣接觸，但這些解決方案需要自定義模制并可經受一段時間后的接觸疲勞。 ●發展中國家中墻壁插頭的使用 世界上還有一些地方的電力基礎設施具有較少的保護要求，因此，電源可在線路上向下傳輸大電壓瞬變。室內布線使情況變得更糟。過去，傳統白熾燈能有助于吸收和抑制電源線上的瞬態能量，但像LED和CFL等新類型產品沒有相同的抑制特性。通過移動至LED和CFL的節能工作可能產生從未遇到過的問題。 ●將器件插入汽車（或飛機、火車等）的電源 在許多情況下，交通供電中的電源適配器包括反向極性保護，但也有例外，特別是在低成本替代產品中。不知情的用戶只是將器件插入汽車的打火機插孔中就可能導致反向極性事件，因為他沒有意識到打火機插孔可導致器件故障。 由于有太多方式可觸發反向極性事件，設計人員務必盡其所能在系統出廠前防止反向極性以免造成損壞。 小于100mA系統中反極性的最佳保護方法 低電流系統——即工作電流低于10mA或200mA的系統——涵蓋各種應用，從安全系統和火警報警器到適用于樓宇自動化、公共地址和數據網絡的系統。 其中包括許多不同的工作環境，設計人員無法始終預測其系統將以何種方式在何處使用。根據具體情況，系統可能暴露于穩態反向偏壓或負瞬變等不良電氣條件下，這可能導致反向極性事件并損壞系統。 結果可能如同電氣故障那么簡單，但如果情況很嚴重，則可能導致火災。因此，設計人員增加電路來防止反向極性帶來的負面效應并不罕見。 有多種方法可實現這一點，但對于低電流應用，其效率通常較少成為問題。只要系統可耐受功耗并且工作電壓壓降與各方法相關聯，即可使用串聯PN或肖特基二極管這兩種簡單方法來達到目的。 串聯PN二極管 如果設計可接受較大的串聯壓降（±1V），或可能有高電壓反向瞬變（>200V），那么使用串聯PN二極管是個不錯的選擇。圖2提供了設計示例。這是可提供快速阻斷、可重置功能和高擊穿電壓的簡單低成本解決方案。 圖2：串聯二極管方法 此二極管的功耗最少，因此較少需要散熱片，且成本較低。只要器件在正常操作或可能的故障條件期間不過熱，系統就會正常工作。 即便如此，該解決方案并非適用于每個設計。成本優勢很快會隨著工作電流的上升而消失。而且，在較高電流下，功耗越大，最終所需的二極管也就越大越昂貴，需要采用導熱性更好的封裝和散熱結構。 此外，在低電壓系統中（200V）。 圖3：串聯肖特基二極管方法 壓降較低可減少與傳統PN二極管有關的熱管理需求，而這可能實現更小且成本更低的封裝。 盡管如此，仍需要小心，因為壓降對于許多應用來說可能仍過高。而且，盡管肖特基二極管的工作范圍比串聯PN二極管的廣，此方法的最佳應用仍是使用低于200mA的電流且具有更高電壓（>5V）的應用。 結論 無論采用哪一種方法，都要考慮壓降和功耗這兩個主要方面。假設這兩個參數都在可接受范圍內，那么兩種方法都能以低成本有效地保護低電流系統，使其免受反向極性事件可能導致的損壞。如果壓降或功耗成問題，則可考慮飛兆的FR器件等有源解決方案。 |
