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(huì )，但像AAA型、AA型、C型以及D型單體電池等經(jīng)過(guò)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(guò)去，設計人員使用機械結構來(lái)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(jìn)行特殊加工，因為彈簧觸點(diǎn)需要控制良好的機械組件容差，以確保正確插入電池時(shí)接觸良好，但未正確插入不接觸。這些狹小容差可導致長(cháng)期穩定性問(wèn)題，因為必需使用的彈簧和觸點(diǎn)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(zhù)時(shí)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(shí)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(guò)程中的壓降，通常不選擇使用串聯(lián)二極管。使用二極管接地設置也不是一個(gè)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(cháng)時(shí)間并使二極管過(guò)熱。

分立式MOSFET需要復雜的結構，并且可能未經(jīng)過(guò)優(yōu)化或特定用于以防止反向極性。在反向極性事件過(guò)程中評估性能的關(guān)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(shí)間期，令人擔憂(yōu)。而且，根據MOSFET的應用方式，它們可能需要一個(gè)控制器或其他成本高昂的功能。

多功能IC有時(shí)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(huán)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(lái)了巨大的性能和/或成本代價(jià)。由于性?xún)r(jià)比權衡，典型實(shí)施具有相對有限的反向偏壓功能（-2 V或-6 V）。

專(zhuān)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(zhuān)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(zhuān)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?xún)r(jià)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(zhuān)用器件防止反向極性的電路。

圖1：使用專(zhuān)用器件防止反向極性

此簡(jiǎn)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(jìn)行響應。

整體成本也不錯。串聯(lián)肖特基二極管通常比專(zhuān)用反向極性保護器件更便宜，但一旦工作電流開(kāi)始增大，基于肖特基方法的總成本也就開(kāi)始上揚。出于性?xún)r(jià)比權衡，專(zhuān)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(huì )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(huì )改變�？紤]全面后，專(zhuān)用反向極性保護器件隨著(zhù)時(shí)間的推移可能會(huì )完全取代復雜的機械解決方案。

“保險絲和TVS”方法也有一些限制。保險絲必須有串聯(lián)電阻才能起作用，并且如果要提供保護，必須有足夠的電阻來(lái)激活。這種電阻會(huì )使系統產(chǎn)生一些功率損耗，并可能在正常操作中使保險絲發(fā)熱和熱循環(huán)。令人遺憾的是，許多采用最低電阻的保險絲技術(shù)也最易受疲勞影響。仔細選擇正常操作時(shí)間更長(cháng)的保險絲。

在過(guò)壓事件中，當二極管分流到地面并拉動(dòng)足夠的電流來(lái)降低電壓電壓時(shí)，二極管匹配可能是個(gè)問(wèn)題。如果尺寸不合適，二極管可能在未打開(kāi)保險絲的情況下使電路板過(guò)熱或在保險絲打開(kāi)之前二極管可能出現故障。這就可能導致耗電量不足以打開(kāi)保險絲的下游熱事件，并因此而無(wú)法達到首先使用保險絲的目的。

如果需要反向偏壓重置，則TVS可與正溫度系數(PTC)電阻（或熱敏電阻）一起使用。但匹配要求更嚴格并且尺寸增大，因此需要驗證反向偏壓事件中的系統級保護。

專(zhuān)用反向極性保護器件

添加反向偏壓重置的更好方法是使用專(zhuān)用反向極性保護器件（圖2）。

圖2. 專(zhuān)用反向極性保護器件方法

由于專(zhuān)用器件專(zhuān)為保護反向偏壓或反向極性而設計，因此可將操作功耗保持在極低水平。串聯(lián)電阻可反映應用需求，并且與使用PTC電阻、保險絲或串聯(lián)二極管時(shí)的情況不同，串聯(lián)壓降不是正常操作的一個(gè)需求。

通過(guò)利用極低電阻的可能性，您可根據需要最大限度降低功耗和壓降。這對效率和器件尺寸很有利，因為優(yōu)化了封裝功耗的需求。靜態(tài)電流保持在極低的水平。過(guò)壓保護等額外特性可集成到器件中，從而在最大限度降低其成本的同時(shí)進(jìn)一步實(shí)現最大程度的保護。

專(zhuān)用器件因結合了所有這些特性而成為最易實(shí)現且性?xún)r(jià)比最高的方法之一。這也是升級電池供電器件的理想方法，其使用機械解決方案避免因電池安裝不當而引起的反向極性。

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100 mA或200 mA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(dòng)化、公共地址和數據網(wǎng)絡(luò )的系統。

其中包括許多不同的工作環(huán)境，設計人員無(wú)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(tài)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(jiǎn)單，但如果情況很?chē)乐�，則可能導致火災。因此，設計人員增加電路來(lái)防止反向極性帶來(lái)的負面效應并不罕見(jiàn)。

有多種方法可實(shí)現這一點(diǎn)，但對于低電流應用，其效率通常較少成為問(wèn)題。只要系統可耐受功耗并且工作電壓壓降與各方法相關(guān)聯(lián)，即可使用串聯(lián)PN或肖特基二極管這兩種簡(jiǎn)單方法來(lái)達到目的。

串聯(lián)PN二極管

如果設計可接受較大的串聯(lián)壓降(±1 V)，或可能有高電壓反向瞬變(> 200 V)，那么使用串聯(lián)PN二極管是個(gè)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(jiǎn)單低成本解決方案。

圖2：串聯(lián)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(guò)熱，系統就會(huì )正常工作。

即便如此，該解決方案并非適用于每個(gè)設計。成本優(yōu)勢很快會(huì )隨著(zhù)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(≤5V)，二極管壓降可能需要額外下游升壓電路，這就使本來(lái)預計為低成本的方法實(shí)際上變得很昂貴。

因此，在使用PN二極管方法之前務(wù)必記住這幾條。

串聯(lián)肖特基二極管

類(lèi)似但應用更廣泛的方法是使用串聯(lián)肖特基二極管代替串聯(lián)PN二極管。該壓降更低一點(diǎn)(±0.6 V)而且設計消耗的功率更少。

圖3顯示的是肖特基二極管的設置。此配置提供出色的阻斷、簡(jiǎn)單的設計導入和低成本。其還可重置并且可能支持相對較高的擊穿電壓(> 200 V)。

圖3：串聯(lián)肖特基二極管方法

壓降較低可減少與傳統PN二極管有關(guān)的熱管理需求，而這可能實(shí)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(lái)說(shuō)可能仍過(guò)高。而且，盡管肖特基二極管的工作范圍比串聯(lián)PN二極管的廣，此方法的最佳應用仍是使用低于200 mA的電流且具有更高電壓(>5 V)的應用。

結論

無(wú)論采用哪一種方法，都要考慮壓降和功耗這兩個(gè)主要方面。假設這兩個(gè)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(wèn)題，則可考慮飛兆的FR器件等有源解決方案。

“保險絲和TVS”方法也有一些限制。保險絲必須有串聯(lián)電阻才能起作用，并且如果要提供保護，必須有足夠的電阻來(lái)激活。這種電阻會(huì )使系統產(chǎn)生一些功率損耗，并可能在正常操作中使保險絲發(fā)熱和熱循環(huán)。令人遺憾的是，許多采用最低電阻的保險絲技術(shù)也最易受疲勞影響。仔細選擇正常操作時(shí)間更長(cháng)的保險絲。

在過(guò)壓事件中，當二極管分流到地面并拉動(dòng)足夠的電流來(lái)降低電源電壓時(shí)，二極管匹配可能是個(gè)問(wèn)題。如果尺寸不合適，二極管可能在未打開(kāi)保險絲的情況下使電路板過(guò)熱或在保險絲打開(kāi)之前二極管可能出現故障。這就可能導致耗電量不足以打開(kāi)保險絲的下游熱事件，并因此而無(wú)法達到首先使用保險絲的目的。

如果需要反向偏壓重置，則TVS可與正溫度系數(PTC)電阻（或熱敏電阻）一起使用。但匹配要求更嚴格并且尺寸增大，因此需要驗證反向偏壓事件中的系統級保護。

專(zhuān)用反向極性保護器件

添加反向偏壓重置的更好方法是使用專(zhuān)用反向極性保護器件（圖2）。

圖2. 專(zhuān)用反向極性保護器件方法

由于專(zhuān)用器件專(zhuān)為保護反向偏壓或反向極性而設計，因此可將操作功耗保持在極低水平。串聯(lián)電阻可反映應用需求，并且與使用PTC電阻、保險絲或串聯(lián)二極管時(shí)的情況不同，串聯(lián)壓降不是正常操作的一個(gè)需求。

通過(guò)利用極低電阻的可能性，您可根據需要最大限度降低功耗和壓降。這對效率和器件尺寸很有利，因為優(yōu)化了封裝功耗的需求。靜態(tài)電流保持在極低的水平。過(guò)壓保護等額外特性可集成到器件中，從而在最大限度降低其成本的同時(shí)進(jìn)一步實(shí)現最大程度的保護。

專(zhuān)用器件因結合了所有這些特性而成為最易實(shí)現且性?xún)r(jià)比最高的方法之一。這也是升級電池供電器件的理想方法，其使用機械解決方案避免因電池安裝不當而引起的反向極性。