参考资料：Using Comparators in Reverse Current Applications
在现代电子设备和电源管理系统中，反向电流的保护变得尤为重要。反向电流可能会导致电源设备损坏，尤其是在分布式电源、冗余电源或热插拔电源应用中，负载电路可能会迫使电流反向流入电源总线。为了有效防止这一问题，许多设计都采用了MOSFET和比较器结合的方案来实现反向电流保护（Reverse Current Protection, RCP）。本文将深入探讨如何通过使用比较器和MOSFET来实现高效的反向电流保护，同时减少功率损耗，并提供可行的硬件设计方案。
1. 反向电流定义及其危害
反向电流是指当负载尝试将电流反向送回电源时的现象。通常情况下，反向电流发生的原因包括：
- 电源电压的突然下降或失效，导致负载中的电池或电容尝试将电流送回电源。
- 电感负载的反电动势（Back-EMF）或电池充电电路的故障。
如果没有有效的反向电流保护，电源可能会因反向电流的冲击而损坏。为此，在设计中加入反向电流保护电路显得至关重要。
2. 传统的反向电流防护方案
常见的反向电流保护方法有两种：二极管保护和MOSFET保护。
2.1 二极管保护
最简单的反向电流保护方式是通过在电源与负载之间串联一个二极管，阻止电流反向流动。然而，这种方法的缺点在于二极管的正向电压降会引起功率损耗，尤其是在负载电流较大的情况下，损耗会显著增加。使用肖特基二极管可以减少损耗，但其成本相对较高。通常，二极管保护适用于负载电流较小（低于1A）且电压损失不敏感的应用场景。
2.2 MOSFET保护
相比二极管，MOSFET的导通电阻（RDS(on)）非常小，当MOSFET导通时，电压降几乎可以忽略不计，功率损耗也非常低。MOSFET的内置体二极管可以提供简单的二极管保护，直到MOSFET的栅极电压达到所需值，MOSFET才会开始导通。通过控制MOSFET的栅极电压，我们可以有效地防止反向电流的发生。
3. 使用比较器和MOSFET实现反向电流保护
尽管基于MOSFET的反向电流保护电路具有低功率损耗的优点，但它们并不能有效地防止反向电流的流动。一旦MOSFET导通，电流就可以双向流动。为了克服这一问题，可以将MOSFET与比较器结合使用。
在这种设计中，比较器会监控MOSFET的漏极（Drain）与源极（Source）之间的电压差，以确定电流的方向。当电流从电池（VBATT）流向负载（VLOAD）时，电池电压高于负载电压，比较器检测到这一点后，会使MOSFET导通，负载电流通过低损耗的RDS(on)路径流动。相反，当反向电流发生时，负载电压会高于电池电压，比较器会检测到这一情况，并将MOSFET的栅极驱动至关闭状态，阻止电流反向流动。
3.1 N通道MOSFET反向电流保护电路
为了实现反向电流保护，N通道MOSFET的栅极电压必须高于源极电压。通常情况下，这需要一个高于电池电压的电源。如果系统没有提供这样的高电压，可以通过电荷泵电路来产生高于电池电压的栅极驱动电压。电荷泵电路通过整流和滤波将交流信号转化为直流电压，驱动MOSFET的栅极。
3.2 P通道MOSFET反向电流保护电路
与N通道MOSFET不同，P通道MOSFET需要栅极电压低于源极电压才能导通。在这种设计中，比较器的反相输入连接到MOSFET的电池端，当电池电压正常时，比较器输出低电平，MOSFET导通；当电池电压反向时，比较器输出高电平，MOSFET关闭，防止反向电流的发生。
4. 反向电流保护电路中的比较器作用
比较器在反向电流保护电路中的作用非常关键，它用于检测MOSFET的漏源电压（VDS），判断电流的方向。一旦反向电流发生，比较器会控制MOSFET的栅极电压，将其关闭，切断电源与负载之间的连接。
通过比较器监测MOSFET的VDS电压，当电流方向正常时，MOSFET导通，电流通过RDS(on)路径流动；当反向电流发生时，VDS电压反转，比较器通过关闭MOSFET来切断反向电流。
5. 过压保护与MOSFET控制
除了防止反向电流，设计中还需要考虑过压保护。为了避免电压过高导致MOSFET损坏，可以在电路中加入齐纳二极管和电阻，通过限制栅极电压，确保MOSFET工作在安全的电压范围内。此外，比较器的关断功能可以通过使用SHDN引脚实现，当过压条件发生时，比较器会进入关断模式，MOSFET关闭，确保电路的安全。
6. 总结
通过将比较器与MOSFET结合使用，可以实现高效的反向电流保护，特别适用于电源系统中可能出现反向电流的场景。与传统的二极管保护方法相比，MOSFET的低导通电阻使得这一方案具有更低的功率损耗和更高的效率。此外，加入过压保护和电荷泵电路可以进一步提升系统的稳定性和安全性。对于负载电流较大的系统，采用这种方案能够有效避免反向电流带来的潜在风险。
如果你正在设计电源系统，尤其是涉及到分布式电源或冗余电源的应用，采用基于MOSFET和比较器的反向电流保护电路是一个值得推荐的方案。