電路設(shè)計要考慮的異常情況

電路設(shè)計要考慮的異常情況：電流倒灌、熱插拔、過流保護(hù)、過壓保護(hù)、上電時序

一、異常情況的思考

異常情況的思考

1、 電流倒灌

集成電路的典型模型如下：

1、 D1在大多數(shù)CMOS集成電路中起著防靜電功能.同時輔助起著輸入端限幅作用。但是在ABT,LVT,LVC和AHC/AHCT類集成電路中無此二極管。

2、D2是半導(dǎo)體集成所產(chǎn)生的寄生二極管(存在于所有數(shù)字集成電路),其輔助功能為對線路反射的下沖信號進(jìn)行限幅，提供一些放電保護(hù)功能。

3、D3用于保護(hù)CMOS電路在放電時的干擾。在大多數(shù)雙極性器件中也存在此二極管，但為寄生二極管。在集電極開路和三態(tài)輸出的雙極性器件中無此二極管。

4、D4在所有集成電路中均存在此二極管。它是器件的集電極或漏極的二極管。在雙極性器件中還附加了一個肖特基二極管對線路反射的下沖信號進(jìn)行限幅。在CMOS電路中附加了二極管以增加防靜電功能。

電流倒灌產(chǎn)生的原因：

當(dāng)使用CMOS型器件作為接口芯片在如下圖所示的電路中使用時，如果Vcc2斷電，Vcc1繼續(xù)供給G1，G1的高電平輸出電流將通過D1向Vcc2上的電容充電（該充電電流將使D1迅速過載并使其損壞。CMOS器件中D1只能承受20mA的電流）并在Vcc2上建立一電壓，該電壓使使用Vcc2供電的其它電路工作不正常，特別使可編程器件。

解決措施：

如圖（a）：在信號線上加一個幾歐姆的限流電阻，可防止過流損壞二極管D1，但不能解決灌流在Vcc上建立電壓；

如圖（b）：在信號線上加二極管D3及上拉電阻R，D3用于阻斷灌流通路，R解決前級輸出高電平時使G1的輸入保持高電平。此方法即可解決灌流損壞二極管D1的問題，又可解決灌流在Vcc上建立電壓。缺點是二極管D3的加入降低了G1的低電平噪聲容限；

如圖（c）：在G1的電源上增加二極管D7。缺點是前級輸出高電平時，G1通過D1獲得電壓并從輸出高電平給后級電路。同時降低了G1的供電電壓，使其在正常使用時高電平輸出電壓降低。

最有效的解決方法是使用雙極型的器件（如三極管）作為接口，由于雙極型器件沒有保護(hù)二極管D1存在，故不存在上述灌流通路。需要注意的是這時接口的輸入、輸出信號線上不能加上拉電阻（雙極型器件輸入懸空當(dāng)高電平對待）。

2、 熱插拔設(shè)計

? 熱插拔對電源的影響

電路板上電或熱插拔時會從電源拉出很大的啟動電流并導(dǎo)致電源電壓的波動，此現(xiàn)象控制不當(dāng)將影響系統(tǒng)中其它電路的正常使用，甚至導(dǎo)致整個系統(tǒng)的損壞。

任何一個板卡都具有一定的負(fù)載電容，當(dāng)板卡插入正常工作背板時，背板電源將使用較大的瞬時電流對插入板卡負(fù)載電容充電;當(dāng)板卡從正常工作背板拔出時，由于板卡上的負(fù)載電容放電，在板卡與背板之間會形成一條低阻通路，也將產(chǎn)生較大的瞬時電流。浪涌現(xiàn)象會導(dǎo)致背板電源瞬時跌落，造成系統(tǒng)意外復(fù)位，甚至損壞接口電路，對于熱插拔保護(hù)電路的研究將成為背板結(jié)構(gòu)設(shè)備推廣應(yīng)用的關(guān)鍵。

熱插拔電路的最低要求是提供浪涌電流限制，防止在大的容性負(fù)載加電時整個系統(tǒng)損壞。限流功能還有助于減小供電電源的尺寸，并防止在連接器接觸時產(chǎn)生電弧。其它熱插拔特性還包括：低等效串聯(lián)電阻、斷路器、狀態(tài)指示、雙插入點檢測和電源就緒指示。

目前我公司的產(chǎn)品除個別處理機(jī)對電源采取上電限流措施外，其余電路板使用PTC對負(fù)載過流進(jìn)行限制，但沒有上電限流措施。

①、最簡單的限流元件是保險絲，它可以單獨使用或與其它保護(hù)元件配合使用，由于保險絲可以有效地防止過流的沖擊，它們在系統(tǒng)中既是必須的(如UL 標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定)，也是系統(tǒng)遇到災(zāi)難性故障時的最終防線。標(biāo)準(zhǔn)保險絲的主要缺陷是只能一次性使用，另外一種可替代的小型器件是多重保險絲，這種保險絲的物理尺寸可以根據(jù)流過其自身電流所產(chǎn)生的熱量而膨脹或縮短，多重保險絲的工作電壓范圍受溫度的限制，但它能夠自復(fù)位，這是相對于標(biāo)準(zhǔn)保險絲的最大優(yōu)點。

②、普通熱插拔電路由電容、齊納管和FET 構(gòu)成，如下圖所示。通過對連接在Q1 柵、源極之間的電容C1 充電達(dá)到限制浪涌電流的目的。如果上電期間C1 放電，Q1 的柵極與源極相當(dāng)于短路，Q1 將維持開路。C1 充電時，Vgs增大，Q1 緩慢開啟。C1 的大小和Q1 的Vgs指標(biāo)確定了Q1 的開啟時間和負(fù)載電容C2 的充電時間。齊納管ZD1 用于防止柵-源電壓超出其最大額定值。

③、機(jī)械結(jié)構(gòu)上，設(shè)計成USB插頭的地引腳和電源引腳比較長，而兩個數(shù)據(jù)引腳則比較短，這樣在插入到插座中時，首先接通電源和地，然后再接通兩個數(shù)據(jù)線。這樣就可以保證電源在數(shù)據(jù)線之前接通，防止閂鎖發(fā)生。

④、熱插拔保護(hù)電路設(shè)計過程實例

熱插拔保護(hù)電路設(shè)計過程實例

? 接口IC的熱插拔

電路板上電或熱插拔時如果處理不當(dāng)，會通過信號線對系統(tǒng)中的其它電路板的正常使用造成影響，也可能造成接口IC的軟損傷或硬損壞。所以在系統(tǒng)及電路板設(shè)計時應(yīng)盡量滿足以下要求：

電路板在熱插拔時必須保證地端子首先連接，這是電路板正常工作的基礎(chǔ)。在多電源系統(tǒng)，特別是有負(fù)電源同時使用的系統(tǒng)中，如果熱插拔時不能保證電路板的地端子首先連接，則應(yīng)盡量不在電路板的負(fù)電源上使用大容量的電容，因為在此情況下可能使電路板的地電位偏離到負(fù)電位，使接口IC的輸入、輸出管腳對地電壓超過其耐受范圍，造成接口IC管腳的損壞。

1、使用輸入或輸出端不帶對電源保護(hù)二極管的IC；

2、使用具有上電三態(tài)功能的IC。

正確的電路板上電次序應(yīng)為：

首先連接電路板的地；

其次連接電路板的電源；

連接電路板的復(fù)位端子；

最后連接電路板的信號端子。

3、 過流保護(hù)

過流保護(hù)技術(shù)在電源設(shè)計中使用較普遍，在電路板設(shè)計中可以借鑒。由于器件工作不正?；蚬收蠐p壞等原因可能造成電路板電源過流，對此如果不加以限制可能給系統(tǒng)帶來災(zāi)難性后果。

在電路板的電源入口處串聯(lián)小阻值的PTC元件可對電源進(jìn)行有效保護(hù)，當(dāng)電路板產(chǎn)生過流時，流過PTC的電流增大，使PTC溫度升高，同時其阻值增大，限制電流的進(jìn)一步增加，使進(jìn)入電路板內(nèi)的電流限制在一個較小的范圍內(nèi)，對電路板可有效起到保護(hù)作用，同時不至于影響其它電路板的正常工作。使用PTC的另一個優(yōu)點是可重復(fù)性，當(dāng)過流條件不存在后，PTC的溫度下降，阻值回到常態(tài)，不影響其正常使用。

選擇PTC時需要注意其耐壓、不動作電流及靜態(tài)電阻和動作時間。案例：我們OC的輸出，控制電磁閥。電磁閥一端接12V，一端接OC輸出。但是在安裝過程中，時常出現(xiàn)：由于施工不小心，OC直接與12V短路，導(dǎo)致三極管、或者M(jìn)OS管，直接失效，導(dǎo)致現(xiàn)場大量三極管燒毀(這段文字，博主表示沒理解)

經(jīng)過優(yōu)化，可以通過下面電路，預(yù)防過流，導(dǎo)致三極管損毀。(這段文字，博主表示沒理解)

4、 過壓保護(hù)

CON1為電源輸入口，正常5V供電；FUL為2A保險絲，電流保護(hù)；D3是反向耐壓40V，超過40V，D3阻抗減小電流增大，保險絲熔斷保護(hù)后面電路；D5是5.1V穩(wěn)壓管，Q4是PMOS管，Q5是PNP三極管。當(dāng)電壓大于5.1V小于40V時，D5導(dǎo)通，Q5導(dǎo)通,D6故障指示燈亮起，Q4關(guān)閉，后級沒電。正常供電時，Q4柵極被R108拉低，故正常導(dǎo)通供電，等D4電源指示燈正常亮起。

5、上電時序控制電路

電路設(shè)計思路：主控芯片的電源接VDD_5V或VDD_3V3,其他電路接GEN_5V或GEN_3V3電源，CON1為電源接口，當(dāng)電路上電瞬間,主控芯片得電開始工作，然后通過控制PMIC_ON_REQ引腳來控制其他模塊供電。