现代嵌入式系统和工业电子设备通常采用多个电源供电，并配备日益复杂的电源分配架构。随着系统复杂度不断提升，输入电源保护已成为保障系统可靠运行的重要设计环节，可有效应对电源反接、热插拔、短路、过载以及电源中断等异常工况。

例如，当存储设备进行热插拔时，产生的浪涌电流可能导致共享电源轨出现瞬时压降，从而影响同一电源上的其他负载。合理设计输入电源保护电路能够有效隔离此类电源干扰，提高系统整体可靠性，并降低设备意外停机的风险。

典型的前端输入电源保护设计通常包含三项核心功能：反接保护（Reverse Polarity Protection）、反向电流阻断（ORing）以及过流保护（Overcurrent Protection）。

本文介绍的保护技术是电子系统中广泛采用的电源设计方案。根据不同的系统架构和应用需求，WINSTAR 部分智能显示器（Smart Display）产品已采用相关保护机制，以提升电源完整性和整体系统可靠性。

 

1. 使用肖特基二极管实现反接保护

肖特基二极管是实现反接保护最简单、应用最广泛的方案之一。当输入电源极性连接正确时，二极管正常导通；当电源发生反接时，二极管处于反向偏置状态，可阻止电流流向后级电路，从而避免因电源接反而导致的器件损坏。

由于电路实现简单、器件成本较低，肖特基二极管广泛应用于对转换效率要求不高的低电流应用。然而，二极管固有的正向压降会产生导通损耗，降低系统整体电源效率，并且随着负载电流增加，这种损耗会更加明显。

以 SM5819 肖特基二极管为例，其典型正向压降约为 0.6 V。当系统负载电流为 3 A 时，功耗约为 1.8 W（0.6 V × 3 A）。选用正向压降更低的肖特基二极管能够进一步降低功耗，但通常也意味着器件成本更高，同时反向漏电流也会有所增加。

因此，肖特基二极管特别适用于对成本敏感、设计简单且输入电源保护要求相对基础的应用场景。

优点：电路设计简单，器件成本低。

局限性：正向压降会带来功耗和发热，且反向漏电流会随着温度升高而增加。随着负载电流增大，导通损耗也会进一步增加，不仅降低系统整体效率，还可能影响产品的长期可靠性。

 

2. 使用 PMOS 理想二极管实现反接保护

PMOS MOSFET 常用于构建理想二极管（Ideal Diode）电路，实现输入电源反接保护。与肖特基二极管方案相比，该方案可显著降低导通损耗。在正常工作状态下，PMOS 的体二极管首先导通，随后随着栅源电压（V_GS）逐渐降低至足以使 MOSFET 完全导通，电流便由导通电阻极低的沟道传输，而不再经过体二极管，从而有效降低正向压降并提升整体电源效率。当输入电源发生反接时，PMOS 保持关断状态，可阻止反向电流流入后级电路。

 

待机功耗设计考量

传统的 PMOS 反接保护电路通常通过电阻将栅极下拉至地，并在栅极与源极之间并联齐纳二极管，用于限制栅源电压（V_GS），避免输入电压瞬态变化时 MOSFET 承受过高的栅源电压。虽然这种设计应用广泛，但齐纳二极管及其配套电阻都会产生漏电流，从而增加系统的待机功耗。

此外，如果栅极电阻选择过大，还会降低栅极驱动电流，导致 PMOS 导通速度变慢，使 MOSFET 在其线性工作区停留更长时间，进而增加开关损耗和器件热应力。

电源中断时的反向电流

在符合 ISO 16750-2 输入电压中断测试条件下，当输入电源突然掉电时，配备较大输出电容的系统可能会产生反向电流。在 PMOS 完全关断之前，输出电容中储存的能量可能会通过 PMOS 的体二极管短暂回流至输入端。反复的充放电过程会增加器件的热应力，尤其是在采用大容量电解电容的应用中更为明显。

设计注意事项

• 栅极保护网络中的漏电流会增加系统待机功耗。
• 齐纳二极管钳位能力不足时，MOSFET 的栅源电压（V_GS）可能超过额定值。
• 栅极驱动电流不足会延长开关时间，并增加器件发热。

PMOS 理想二极管方案广泛应用于对电源转换效率要求较高的输入电源保护设计。

优点：相比肖特基二极管方案具有更低的导通损耗，同时电路复杂度仍低于基于 eFuse 的保护方案。

局限性：器件成本高于肖特基二极管方案，同时需要综合考虑栅极驱动电路的设计。

对于需要自动切换电源或具备冗余供电能力的应用，通常还会结合 ORing 电源架构，以进一步提升系统可靠性。

 

 

用于自动电源切换的 ORing 电源架构

ORing 电源架构广泛应用于具有多个电源输入的系统，例如外部电源与 USB 电源共存，或主电源与备用电池共同供电的应用。与依赖单一保护器件不同，ORing 架构能够自动选择电压较高的电源为系统供电，同时有效防止不同电源之间产生反向电流。

每一路电源通路都相当于一个理想二极管，仅允许电流流向负载，从而避免不同电源之间发生交叉导通，并实现电源的无缝切换，同时防止形成环流。

以上图为例，电源切换过程如下：

1. 当 VIN 与 V_BUS 同时存在时，系统优先选择 VIN 为 V_OUT 供电，同时阻断 V_BUS 供电路径。
2. 当 VIN 断开后，电路会自动切换至 V_BUS 为负载供电，整个过程中无需中断系统运行。
3. 当 VIN 恢复供电时，电路会自动将负载切换回 VIN。在肖特基二极管方案中，当 VIN 高于 V_BUS 时，电流经 D2 导通；当 VIN 不存在时，则由 D1 导通。在 PMOS 方案中，当 VIN 有效时由 Q1 导通；当 VIN 失效时，则由 Q2 为负载供电。

本文介绍的 ORing 双电源切换电路已取得实用新型专利；不过，ORing 电源架构本身属于成熟且广泛应用于电子系统中的电源管理技术。

3. 使用 eFuse 实现过流保护

对于需要更高保护等级的应用，电子保险丝（eFuse）相比传统分立式保护电路能够提供更加完善的输入电源保护方案。除过流保护外，现代 eFuse 器件通常还可在单颗 IC 内集成反接保护、反向电流阻断以及多种可编程保护功能。

大多数工业级 eFuse 器件采用背靠背 MOSFET（Back-to-Back MOSFET）架构，可在输入电源中断或欠压（Brownout）等情况下有效阻止反向电流。该架构能够将输出电压与输入电源隔离，从而保护电源端及后级电路，避免反向供电带来的影响。

除电流限制功能外，eFuse 器件通常还支持可编程输出压摆率控制、可调的过压保护（OVP）和欠压锁定（UVLO）阈值，以及故障状态报告等功能。专用使能引脚可对内部 MOSFET 进行外部控制，实现导通或关断，同时支持超低待机电流关断模式。状态输出和电流监测功能也有助于简化系统诊断与电源管理设计。

许多工业级 eFuse IC 还提供多种故障响应模式，例如断路器模式（Circuit Breaker）、锁断模式（Latch-Off）以及自动重试模式（Automatic Retry），使设计人员能够根据不同应用需求优化系统保护策略。此外，其宽输入电压范围也有助于简化工业环境中的浪涌保护设计。

优点：单颗器件即可集成过压保护（OVP）、过流保护（OCP）、过温保护（OTP）、反向电流阻断以及快速故障保护等多种功能。内部集成 MOSFET 的低导通电阻能够有效降低功耗，同时提升系统整体电源效率。

局限性：器件成本高于分立式保护方案。

 

没有任何一种输入电源保护方案适用于所有应用。设计人员应根据系统需求，在肖特基二极管、PMOS 理想二极管、ORing 电源架构以及 eFuse 等方案之间进行选择，在电源效率、保护能力、成本和系统可靠性之间取得最佳平衡。选择合适的输入电源保护策略，是提升工业电子和嵌入式系统可靠性的重要设计环节。

常见问题（FAQ）

1. 为什么智能显示器需要输入电源保护？

智能显示器广泛应用于工业自动化、医疗设备、交通运输系统以及嵌入式设备等领域，在实际应用中可能面临电源反接、过流、热插拔以及电压瞬变等异常情况。合理设计输入电源保护电路能够有效降低系统故障风险，提高电源稳定性，并提升产品整体可靠性和使用寿命。

2. 肖特基二极管与 PMOS 理想二极管有什么区别？

肖特基二极管具有电路简单、成本较低等优点，是一种经济实用的反接保护方案，但其正向压降会带来一定的功耗。PMOS 理想二极管则能够显著降低导通损耗，提高电源转换效率，更适用于对能效要求较高的应用。不过，相应地，其电路设计复杂度和器件成本也会有所增加。

3. 什么情况下适合采用 ORing 电源架构？

ORing 电源架构适用于具有多个电源输入的系统，例如外部 DC 电源与 USB 电源共存，或主电源搭配备用电池的应用。该架构能够自动选择可用电源，并有效防止反向电流和不同电源之间的交叉导通，确保系统持续稳定运行。

4. eFuse 与传统保险丝有什么区别？

与传统保险丝不同，eFuse 能够在单颗 IC 内集成多种保护功能。除过流保护外，通常还支持过压保护（OVP）、欠压锁定（UVLO）、过温保护（OTP）、反向电流阻断、可编程电流限制以及可配置的故障响应模式，因此更适用于工业电子及嵌入式系统的电源管理应用。

5. 当 USB 与外部电源同时接入时，如何防止反向电流？

可采用 ORing 电源架构、PMOS 理想二极管电路，或具备反向电流阻断功能的 eFuse，有效防止反向电流产生。这些方案能够自动完成电源切换管理，并避免电流在不同电源之间相互回流。

6. 如何提高智能显示器电源系统的可靠性？

完善的输入电源保护设计通常需要综合反接保护、反向电流阻断以及过流保护等多种功能。根据系统需求合理搭配肖特基二极管、PMOS 理想二极管、ORing 电源架构或 eFuse 等方案，有助于提升电源完整性（Power Integrity）、增强系统可靠性，并延长产品使用寿命。

参考资料

本文撰写过程中参考了以下公开发布的技术文档及相关资料。

半导体厂商技术文档

1. Texas Instruments — Basics of Ideal Diodes (Rev. B)
2. Texas Instruments — Reverse Battery Protection for High Side Switches
3. Texas Instruments — Basics of eFuses (Rev. A)
4. Nexperia — IAN50001: Automotive Reverse Battery Protection
5. Monolithic Power Systems (MPS) — 防反接保护电路设计（上篇）
6. Coil Technology Corporation — 反向电流保护（Reverse Current Protection）

 

其他公开技术资料

7. 电路啦 — MOSFET 电源反接保护电路
8. 电路啦 — USB 外部供电与锂电池自动切换电路
9. Well Tsai — 电源反接保护：二极管与 P-MOSFET 方案比较
10. 阿里云开发者社区 — 电源自动切换电路概述