使用MOS 管和运放实现理想二极管

防反接电路的用处很容易理解，实现也相对简单，但是防倒灌电路则可能到用到的时候才会发现有点复杂。比方说，一个东西既支持用PD 供电输入20V，又可以直接DC 输入24V，USB 5V 供电时也能亮，还允许插着DC 供电的同时插着USB 线连接上位机，并且传输数据的USB 接口和PD 供电接口是同一个，这时问题就出现了，DC 24V 可能会通过USB 的VBUS 直冲上位机。

最万无一失、最豪华的方案可能是给VBUS 上串一个隔离变压器，先逆变再变回DC，这样一来有变压器挡着，后级电压绝对跑不到上位机去。说不定有些地方就是这么做的，只不过太豪华了。最贫穷的就是直接串个二极管，和最简单的防反接电路一样，但是当VBUS 需要在PD 模式下承担功率时问题就复杂了，二极管的功耗不可接受。一种方案是所谓的理想二极管，就是功能和二极管一样，可以反向截止，实现防反接和防倒灌保护，又没有二极管的正向压降。只不过专用的理想二极管芯片太贵了，赶得上一片STM32，规格也太高，车规、上百伏电压什么的。下面找了几篇和分立器件搭理想二极管相关的文档摘录翻译一下。

使用MOSFET 和比较器实现反向电流保护，从而减小功耗。

反向电流是指负载端试图将电流倒灌回电源。这种现象可能在电源电压突然降低或者完全消失的时候发生，以及当电源连接时，负载端的退耦、旁路电容或者电池也可能使电流倒灌。此外，负载端电压可能超过电源端，这也会导致反向电流，比如存在感性负载导致的反向电压，或者由失效的电池充电电路外泄的电压。

注：当然也可能出现在并联多个电源的时候，一个电源往另一个电源嘴里塞

如图1 所示，一个比较器输入端跨接在MOSFET 两端，从而检测电路中电流的方向：

注：这里NMOS 的用法和防反接电路里的PMOS 类似，都是让体二极管方向和电流方向相同。用前面的电荷泵实现NMOS 高边驱动

在正常的正向电流情况下，由于MOS 管的导通电阻R d s ( o n ) R_{ds(on)}Rds(on)​，MOS 管的源极到漏极会存在一个轻微的压降，使漏极电压低于源极。比较器检测的就是这个压降。当电流反向，漏极的电压将会高于源极，比较器检测到这种情况，然后输出低电平，使MOS 管关断，从而断开负载。

注：MOS 管具有双向导电性，已经开启的MOS 管上电流可以双向流动，和BJT 三极管不同。

MOS 管导通时两端能产生的压降不过数十毫伏，共地连接的比较器需要精心设计输入电压偏置电路，使共模输入电压保持在比较器的工作参数范围内。这个附加的偏置电路也会增加噪声和漂移，影响对小信号的检测。

为了消除偏置电路引入的噪声和漂移，同时还能提供足够的电流用来驱动MOS 管，比较器的公共端（接地端）悬空连接到电源电压（V B A T T V_{BATT}VBATT​），于是输入端和输出端都能直接连接到MOS 管上。

注：接地端接到电源电压，运放的共模输入电压以电源正端为参考，等于给输入加了一个负的偏置

此时要让比较器能工作，需要给它提供高于V B A T T V_{BATT}VBATT​ 的供电电压。比较器的供电电压（电源正端到接地端的压差）不能太低，否则无法驱动MOS 管使其完全导通，但是也不能高于MOS 管的栅极最高电压V G S ( m a x ) V_{GS(max)}VGS(max)​。对于大部分MOS 管，5V 是个不错的栅极驱动电压。

要生成这个高于V B A T T V_{BATT}VBATT​ 的电压用来驱动比较器和MOS 管，这里使用了一个电荷泵。给电荷泵电路输入一个方波信号就能输出高于V B A T T V_{BATT}VBATT​ 的DC 电压。由于电荷泵的输入是一个电容，也就是交流耦合的，所以允许使用一个基于地电平的振荡器作为信号源。完整电路如下图：

注：左边555 输出方波，加上D2、C2、D3、C3 就组成所谓的迪克森电荷泵。R2 和C4 是RC 滤波，Z1 用来给运放稳压

比较器放在MOS 管旁边检测V D S V_{DS}VDS​ 电压。为了最小化V B A T T V_{BATT}VBATT​ 线上的噪声或瞬态影响，比较器电路悬空放在V B A T T V_{BATT}VBATT​ 上。这消除了共模抑制的问题，也不再需要一个会造成信号减速和衰减的输入偏置电路。

注：原文这里写了一大段介绍电荷泵的原理，简直和写论文水字数一样~ 就不翻译了，想知道的可以去搜个视频讲解看看，绝对比干看文字舒服

比较器反相输入端的二极管D4A，D4B（BAT54A 是双肖特基二极管） 和电阻R5 用来将反相输入电压钳位到V B A T T ± 300 V_{BATT} \pm 300VBATT​±300 mV。如果反相输入端被拉低到小于V B A T T V_{BATT}VBATT​ 时就需要钳位，比如当上电时，MOS管通过体二极管导通。这个钳位电路也会在负载端产生高于V B A T T V_{BATT}VBATT​ 的反向电压时起到保护作用。

R6 是下拉电阻（或者说是栅极放电电阻），用来在比较器未工作时保证MOS 管不导通。

R3 和R H Y S T R_{HYST}RHYST​ 为比较器提供可选的迟滞，如果在无负载或小负载时有噪声或振荡，迟滞能保证稳定。迟滞的数值要在稳定性和最小的导致比较器触发的反向电流这两方面做出取舍，迟滞越大，反向电流的最小触发值就越大。关于迟滞特性的信息，可以参考原文第7 段 - 参考文献。

旁路电容C5 是必要的，因为电荷泵需要一个对地交流阻抗较低的通路才能正常工作。如果没有C5，电荷泵的峰值电流可能从MOS 管的检测部分流过，导致比较器被错误触发，尤其是当MOS 管处于反向电流保护状态或体二极管状态。

注：可能是指会有电流从电荷泵经过MOS 管的体二极管流过，导致漏极比源极电压低，比较器就会使MOS 管导通

MOS 管的导通电阻R D S ( o n ) R_{DS(on)}RDS(on)​ 对电路的性能有最大的影响，导通电阻越低，触发保护所需的反向电流就越大。这是因为导通电阻越低，MOS 管上的压降就越低，因而需要更大的反向电流才能达到比较器的触发电压。

注：意思就是触发保护之前可能出现较大的瞬间反向电流，如果电源端有TVS 以及别的钳位保护，或者输出电容够大、ESR 够低，那么只要反向电流持续时间足够短应该就没事，也就是要比较器动作快。以及导通电阻非常低这个优点此时变成了缺点，那么天生导通电阻比较大的PMOS 其实更适合用在这里

必须要指出的是，MOS 管的导通电阻具有正温度系数，也就是导通电阻随温度增加而增加。这就导致当温度上升时，反向电流阈值会下降，反之则上升。所以必须在低温时测试最大触发电流。

注：所谓的worst case 是在低温时，温度上升后这个电路的表现会提升

如果一个MOS 管的导通电阻是20mΩ，1A 的反向电流就会在MOS 管漏极和源极之间产生20mV 压降。这时的栅源电压V G S ( o n ) V_{GS(on)}VGS(on)​ 就被叫做“感应”电压。

注：原文 This VGS(ON) voltage will be referred to as the “sense” voltage，没看懂

对于上图的电路，MOS 管选择了Nexperia 的BUK9K17-60，在V G S V_{GS}VGS​ 约4V 时它的导通电阻约20mΩ，V D S ( m a x ) V_{DS(max)}VDS(max)​ 为60V，封装是SO-8，方便用在面包板上。

运放的输入失调电压可被视为和输入的检测电压串联，取决于失调电压的极性，它可能提高或者降低实际输入的检测电压，从而成为影响阈值电压的最重要因素之一。微小的检测电压必须克服失调电压后才能到达到比较器的阈值。比较器的数据手册中，失调电压的规格是不分极性的绝对值（±1mV），所以在计算误差范围时，必须综合考虑失调电压的两种极性。

MOS 管的栅极电容较大，通常约1nF，所以为了避免迟缓的开关时间，采用推挽输出的比较器更合适。为了实现尽量快的响应时间，比较器必须尽可能快的关闭MOS 管，更强的电流输出能力允许比较器更快的开关MOS 管。