在當前高度整合的電子系統設計中，確保系統的穩定運行與最小化停機時間已成為工程設計的核心挑戰。現代系統通常採用多電壓電源分配網絡，以支持多樣化的負載運作，這使得系統在面對瞬態異常事件（如反向、過載、短路或熱插拔）時顯得極其脆弱。例如，在儲存系統中熱插拔硬碟（HDD）時，巨大的湧浪電流會導致連接總線上的電壓驟降，進而影響同一總線上的其他關鍵負載。因此，完善的電源輸入保護機制是提升系統可靠度的重要設計考量。

在電力電子設計中，電源樹前端通常包含三項基礎保護機制：反向電流保護、防止倒灌電路，以及過電流保護。

本文介紹的保護技術為電子系統中常見的電源設計方法。依不同的系統架構與應用需求，WINSTAR 部分智慧型顯示器（Smart Display）產品已採用相關保護機制，以提升電源完整性與整體系統可靠性。

 

1. 串接蕭特基二極體（Schottky Diode）

目的：防止輸入電源正極與負極接反，導致設備端無法運作。

電路原理： 於系統設計中採用蕭特基二極體，以保護系統避免電源反向連接，防止電源瞬間暫態導致系統損毀。蕭特基二極體為防止從負載反向電流流入電源正極，同時提供反向極性保護和反向極性電流阻斷。當電池反向連接時，蕭特基二極體反向偏壓，阻止反向電流連接到負載的保持電容放電。將負載與電源輸入電壓負極隔離，並為負載提供反極性保護。

應用： 二極體是一種成本較低且易於積體整合的反向電流保護方案。適用於高電壓、低電流的設備。使用電池的應用系統中，二極體的正向電壓差將縮短電池使用壽命、降低轉換效率。以 SM5819 蕭特基二極體為例，其兩端順向導通電壓約為 0.6 V。若系統電流為 3 A，蕭特基二極體約產生 0.6 V × 3 A ≒ 1.8 W 的損耗。為了降低蕭特基二極體帶來的損耗及電壓差問題，選用電壓差較小的蕭特基二極體，代價為成本較高與反向漏電流。

蕭特基二極體可應用於輸入端電源保護裝置。

優勢：電路架構簡單，價格實惠。

劣勢： 測試環境處於高溫的狀態下，具有高漏電電流。基於二極體的基本特性，順向導通電壓必然存在損耗，並且負載電流越高損耗越大，進而產生電源能效與熱損耗，影響產品的壽命等議題。

 

2. 利用 PMOS 組成理想二極體進行反向保護（PMOS Ideal Diode）

目的：使用 PMOS 降低電源端功率損耗，並防止反向連接。

電路原理： 蕭特基二極體可以用 PMOS 代替，以實現電源端反向保護。將蕭特基二極體替換為 PMOS，並使二極體與蕭特基二極體方向相同，可以降低二極體的正向壓降。在電源正常工作期間，PMOS 的二極體正向偏壓，並在極短時間內導通，直到閘極電壓被拉低至源極以下時，PMOS 導通。當電源端極性反轉時，柵極源電壓擺動至正值，PMOS 斷開狀態下，從而保護下游電路避免受到負電壓的影響。

 

待機電流較大

一般市面上防反向保護電路採用 PMOS，將其柵極連接至電阻到接地端。假若輸入電源端連接至正向電壓，輸入電流流過 PMOS 內部二極體至負載端。正向電壓大於 PMOS 的電壓閾值，則源極流向汲極通道導通。上述的工作條件將降低 PMOS 的汲極與源極的電壓，進而降低功率消耗。傳統 PMOS 防反向保護電路柵極與源極連接至電壓調節器，防止柵極源極電壓 VGS 出現過電壓情形，同時保護 PMOS 在輸入功率波動時不會被擊穿。VGS 電壓與稽納二極體與限流電阻周圍存在漏電流。選用稽納二極體嵌位電流基本為 mA 等級，假若限流電阻過大，嵌位電壓特性將明顯降低，導致稽納二極體無法導通與 VGS 過電壓風險。順帶一提，限流電阻太大代表 PMOS 驅動電流較少。輸入電壓 VIN 產生較不穩定的電源，PMOS 處於長時間工作在線性區域，此區域 PMOS 尚未完全導通，所付出的代價為電源開關時間較長與電阻過熱。

存在反灌電流

進行 ISO 16750-2 輸入電壓瞬間切斷測試時，假若待量測設備內部含有大電容，輸入電壓瞬間下降或低電壓條件底下，系統端電容電壓使得電源極性反轉，導致系統電源故障並且觸發中斷功能。測試條件為疊加交流電輸入電壓中，PMOS 完全開路狀態下，將導致電流回流，選用電解電容設計將產生重複充放電，最終使得電容過熱。

設計限制與風險

1. 系統待機電流較大
2. 稽納二極體無法依靠嵌位與 VGS 存在過電壓
3. PMOS 驅動電流變弱與開關過程存在過熱之風險

 

PMOS 可應用於輸入端電源保護裝置。

優勢：消耗功率介於蕭特基二極體及電源保護 eFuse IC 之間。

劣勢：價格略高於蕭特基二極體。

因此，可採用以下電路架構。

 

 

目的：採用隱藏鋰電池充電管理、電源切換濾波或閘電路應用

移除稽納二極體的 PMOS 電源架構，改採或閘（ORing）雙電源電路架構

電路原理：電源前端保護電路採用或閘（ORing）配置的架構，系統會自動選擇輸入電壓最高的電源供應器為負載供電。理想二極體充當方向開關，僅在輸入電壓高於輸出電壓時導通，並在輸入電壓低於輸出電壓時阻斷電流。這種機制可以防止反向電流流動和電源之間的交叉導通。當輸入電壓非常接近時，兩個電源可以共同為負載供電而不會產生環流，因此阻斷反向電流為配置或閘關鍵要求。

VIN 外置電源與 VBUS 內建電源的切換優先順序如下，共有三種操作情境：

1. 當輸入電源為 VIN 外置電源與 V_BUS 內建電源時，系統將以 VIN 為優先供電來源，由 VIN 對 V_OUT 供電，同時抑制 V_BUS 的供電路徑。
2. 當移除 VIN 外置電源時，系統切換為 V_BUS 供電，即 V_BUS 對V _OUT 供電。
3. 當重新插入 VIN 外置電源時，供電路徑將由原本 V_BUS 切換回 VIN，即 VIN 對 V_OUT 供電。
   其一採用兩組蕭特基二極體作為或閘雙電源電路架構，特性為阻擋反向電流與 VIN 大於 V_BUS 電流流過 D2 路徑，反之，VIN 無輸出電壓時，電流路徑選擇通過 D1。
   其二將兩組蕭特基二極體更換為 PMOS 與電阻電路架構，特性為防止逆向電流與降低 PMOS 消耗功率，VIN 大於 V_BUS 電流流過 Q1 路徑，反之，VIN 無輸出電壓時，電流路徑選擇通過 Q2。

 

上述 ORing 雙電源切換電路之相關設計已申請實用新型專利；此外，ORing（或閘）電路架構本身已長期應用於各類電子系統。

3. 過電流保護 (OCP - Overcurrent Protection)

目的：提供輸入電源過電流保護，提升系統可靠度。

電路原理：整合式 IC（eFuse）是一種具備反向輸入極性保護功能的工業電子保險絲，可應用於輸入電源保護裝置。整合式背靠背 FET 提供反向電流阻斷功能，使裝置適用於停電及電壓下降等條件下的輸出電壓滯留系統需求。裝置可提供負載、電源來源及系統保護，並具備多種可調整功能，包括過電流保護、輸出斜率，以及過壓、欠壓閾值設定。高壓額定值有助於簡化系統浪湧保護設計。

關機腳位提供外部控制內部 FET 的啟用與停用，並使裝置進入低電流關機模式。可用於系統狀態監控及下游負載控制，並提供故障及精確電流監控輸出。MODE 腳位允許在三個限流故障間靈活配置裝置反應（斷路器、鎖存關閉及自動重試模式）。

優勢：具備過電壓（OVP）、過電流（OCP）、過溫（OTP）保護功能，可以保護正、負電源負載，提供反向電流阻斷功能，並具有低導通電阻（可降低功率損耗與發熱，提升效率）及快速故障響應等特性。

劣勢：價格昂貴。

 

智慧型顯示器的電源輸入保護設計，不僅影響系統可靠性，也關係到產品效率、穩定性與使用壽命。依據不同的應用需求，可選擇蕭特基二極體、PMOS 理想二極體、ORing 雙電源切換架構或 eFuse 等保護方案，建立更完整且可靠的電源保護設計。

常見問題（FAQ）

1. 為什麼智慧型顯示器需要設計電源輸入保護機制？

智慧型顯示器常應用於工業控制、醫療設備、交通運輸及嵌入式系統，可能面臨電源反接、過電流、熱插拔及瞬態電壓等異常情況。適當的電源輸入保護設計可降低系統故障風險，提升電源穩定性、產品可靠度與整體使用壽命。

2. 蕭特基二極體與 PMOS 理想二極體有什麼差異？

蕭特基二極體具有電路簡單、成本較低的優點，但會產生順向壓降與功率損耗；PMOS 理想二極體則可降低壓降與功率損耗，提升電源效率，適合對效率要求較高的系統，但電路設計相對較複雜，成本也較高。實際選擇仍應依應用需求、成本及系統設計考量而定。

3. ORing 雙電源切換電路適合哪些應用？

ORing 雙電源切換電路適用於具有兩組以上電源來源的系統，例如外部 DC 電源與 USB 電源、外部電源與備援電池等應用。當其中一路電源失效時，系統可自動切換至另一組電源，同時避免反向電流及電源間交叉導通，提高供電可靠性。

4. eFuse 與傳統保險絲有什麼差異？

相較於傳統保險絲，eFuse 除了提供過電流保護外，通常還整合過電壓、欠電壓、過溫、反向電流阻斷及快速故障保護等功能，並可設定限流與保護模式。對於需要高可靠度及智慧電源管理的工業與嵌入式系統，eFuse 通常具有更高的設計彈性。

5. 如何避免 USB 與外部電源同時供電時產生反向電流？

可透過 ORing 電源切換架構、PMOS 理想二極體或 eFuse 等方案，有效避免不同電源之間產生反向電流或交叉導通。此類設計可讓系統自動選擇適當的供電來源，同時提升供電安全性與系統穩定性。

6. 如何提升智慧型顯示器的電源可靠性與系統穩定性？

完整的電源輸入保護設計通常會結合反向極性保護、ORing 電源切換及過電流保護等機制，並依系統需求選擇蕭特基二極體、PMOS 理想二極體或 eFuse 等方案。適當的保護設計有助於降低故障風險，提升智慧型顯示器於工業及嵌入式應用中的可靠性與穩定性。

參考資料

本文撰寫過程中參考了下列公開技術文件與相關資料。

半導體原廠技術文件

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)－防反保護電路的設計（上篇）
6. Coil Technology Corporation－反向電流保護（Reverse Current Protection）

 

其他公開技術資料

7. 電路啦－MOS 管防電源反接電路
8. 電路啦－外置 USB 供電與內建鋰電池供電自動切換電路，便攜電子設備常用
9. Well Tsai－電路逆向電壓保護：從基礎二極體到高效 P-MOSFET 解決方案
10. 阿里雲開發者社群－聊聊電源自動切換電路（常用自動切換電路總結）