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进阶电源设计：使用比较器与 MOSFET 实现高效反向电流保护 (RCP)
1. 为什么需要反向电流保护？
在现代电源管理系统中，电流通常被设计为从电源流向负载。但在分布式电源、冗余电源（ORing）或电池供电系统中，可能会出现负载端电压高于电源端的情况，导致电流“倒灌”。
反向电流（Reverse Current）的常见诱因：
- 输入掉电： 输入电源突然跌落，而输出端大电容或电池仍保持高压。
- 冗余并联： 两个不同电压的电源并联，高压电源向低压电源倒灌。
- 感性负载： 电机等感性负载产生的反电动势（Back-EMF）。
危害： 反向电流轻则导致电源调节器失效、系统重启，重则烧毁敏感的模拟前端或功率模块。
2. 方案对比：为什么弃用二极管？
| 特性 | 肖特基二极管方案 | MOSFET + 比较器方案 (理想二极管) |
|---|---|---|
| 正向压降 | 较高 (典型值 0.3V - 0.7V) | 极低 () |
| 功耗/发热 | 随电流线性增长，发热严重 | 极低，适合大电流应用 |
| 响应速度 | 极快 (物理特性) | 取决于比较器的传播延迟与驱动速度 |
| 成本/复杂度 | 极低，单元件 | 较高，需要控制电路 |
3. 核心设计：比较器驱动 MOSFET 的原理
MOSFET 一旦导通，其沟道具有双向导电性。为了实现“单向导通”，我们必须引入比较器作为“大脑”，实时监测 MOSFET 的漏极（Drain）与源极（Source）之间的微小压差。
3.1 N-Channel MOSFET 方案 (高侧驱动)
N-MOS 具有更低的 ，但在高侧应用时，栅极电压 () 必须高于源极电压 ()。
- 检测机制： 比较器监测 。当 时，判定为正向电流，输出高电平导通 N-MOS。
- 电荷泵（Charge Pump）： 由于 需要突破电源轨，设计中通常集成一个简单的电荷泵或采用带电荷泵的专用驱动 IC。
3.2 P-Channel MOSFET 方案
P-MOS 方案电路结构更简单，无需电荷泵。
- 连接方式： 源极（Source）接电源输入，漏极（Drain）接负载。
- 控制逻辑： 比较器反相输入端接电源，同相端接负载。
- 正常电流： ，比较器输出低电平（靠近 GND），P-MOS 导通。
- 反向电流： ，比较器迅速输出高电平，切断 P-MOS。
4. 关键设计细节与参数优化
4.1 比较器的选型要求
实现高效 RCP，比较器不能随便选，需重点关注：
- 输入失调电压 ()： 这是最核心的参数。如果 过大，可能导致在电流已经反向时 MOSFET 仍未关闭。建议选择低偏置、高精度的运算放大器或专用比较器。
- 传播延迟 (Propagation Delay)： 延迟越短，截止反向电流的速度就越快，能有效降低对前级电源的冲击。
- 共模输入范围： 必须覆盖系统的最高工作电压。
4.2 防止误动作：迟滞与补偿
由于 MOSFET 导通后的压降非常小，微小的电压波动可能导致比较器在临界点频繁跳变（振荡）。
- 对策： 在比较器电路中加入适量的正反馈（迟滞电阻），确保开关动作果断。
4.3 栅极保护 (Gate Protection)
MOSFET 的 耐压通常有限（如 ）。
- 方案： 在栅极与源极之间并联一个 12V 齐纳二极管，配合限流电阻，防止瞬态高压击穿栅极。
5. 总结：构建坚固的电源防线
通过比较器与 MOSFET 的结合，我们实际上构建了一个**“理想二极管”**。这种设计在保持极低功耗的同时，提供了远超传统方案的保护精度。
设计核对清单 (Checklist)：
- MOSFET 的 是否能满足满载下的温升要求？
- 比较器的供电电压是否稳定且满足输入共模范围？
- 是否考虑了反向电流发生时的系统泄放路径？
- 栅极驱动能力是否足以在微秒级时间内关闭 MOSFET？
进阶电源设计：使用比较器与 MOSFET 实现高效反向电流保护 (RCP)
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