電路設計要考慮的異常情況

電路設計要考慮的異常情況：電流倒灌、熱插拔、過(guò)流保護、過(guò)壓保護、上電時(shí)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CMOS集成電路中起著(zhù)防靜電功能.同時(shí)輔助起著(zhù)輸入端限幅作用。但是在A(yíng)BT,LVT,LVC和AHC/AHCT類(lèi)集成電路中無(wú)此二極管。

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

3、D3用于保護CMOS電路在放電時(shí)的干擾。在大多數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(kāi)路和三態(tài)輸出的雙極性器件中無(wú)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(gè)肖特基二極管對線(xiàn)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(shí)，如果Vcc2斷電，Vcc1繼續供給G1，G1的高電平輸出電流將通過(guò)D1向Vcc2上的電容充電（該充電電流將使D1迅速過(guò)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(xiàn)上加一個(gè)幾歐姆的限流電阻，可防止過(guò)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(xiàn)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(shí)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(wèn)題，又可解決灌流在Vcc上建立電壓。缺點(diǎn)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(diǎn)是前級輸出高電平時(shí)，G1通過(guò)D1獲得電壓并從輸出高電平給后級電路。同時(shí)降低了G1的供電電壓，使其在正常使用時(shí)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(méi)有保護二極管D1存在，故不存在上述灌流通路。需要注意的是這時(shí)接口的輸入、輸出信號線(xiàn)上不能加上拉電阻（雙極型器件輸入懸空當高電平對待）。

2、 熱插拔設計

? 熱插拔對電源的影響

電路板上電或熱插拔時(shí)會(huì )從電源拉出很大的啟動(dòng)電流并導致電源電壓的波動(dòng)，此現象控制不當將影響系統中其它電路的正常使用，甚至導致整個(gè)系統的損壞。

任何一個(gè)板卡都具有一定的負載電容，當板卡插入正常工作背板時(shí)，背板電源將使用較大的瞬時(shí)電流對插入板卡負載電容充電;當板卡從正常工作背板拔出時(shí)，由于板卡上的負載電容放電，在板卡與背板之間會(huì )形成一條低阻通路，也將產(chǎn)生較大的瞬時(shí)電流。浪涌現象會(huì )導致背板電源瞬時(shí)跌落，造成系統意外復位，甚至損壞接口電路，對于熱插拔保護電路的研究將成為背板結構設備推廣應用的關(guān)鍵。

熱插拔電路的最低要求是提供浪涌電流限制，防止在大的容性負載加電時(shí)整個(gè)系統損壞。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(shí)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(diǎn)檢測和電源就緒指示。

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

①、最簡(jiǎn)單的限流元件是保險絲，它可以單獨使用或與其它保護元件配合使用，由于保險絲可以有效地防止過(guò)流的沖擊，它們在系統中既是必須的(如UL 標準的規定)，也是系統遇到災難性故障時(shí)的最終防線(xiàn)。標準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流過(guò)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，但它能夠自復位，這是相對于標準保險絲的最大優(yōu)點(diǎn)。

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

③、機械結構上，設計成USB插頭的地引腳和電源引腳比較長(cháng)，而兩個(gè)數據引腳則比較短，這樣在插入到插座中時(shí)，首先接通電源和地，然后再接通兩個(gè)數據線(xiàn)。這樣就可以保證電源在數據線(xiàn)之前接通，防止閂鎖發(fā)生。

④、熱插拔保護電路設計過(guò)程實(shí)例

熱插拔保護電路設計過(guò)程實(shí)例

? 接口IC的熱插拔

電路板上電或熱插拔時(shí)如果處理不當，會(huì )通過(guò)信號線(xiàn)對系統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。所以在系統及電路板設計時(shí)應盡量滿(mǎn)足以下要求：

電路板在熱插拔時(shí)必須保證地端子首先連接，這是電路板正常工作的基礎。在多電源系統，特別是有負電源同時(shí)使用的系統中，如果熱插拔時(shí)不能保證電路板的地端子首先連接，則應盡量不在電路板的負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電位，使接口IC的輸入、輸出管腳對地電壓超過(guò)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；

連接電路板的復位端子；

最后連接電路板的信號端子。

3、 過(guò)流保護

過(guò)流保護技術(shù)在電源設計中使用較普遍，在電路板設計中可以借鑒。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(guò)流，對此如果不加以限制可能給系統帶來(lái)災難性后果。

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，當電路板產(chǎn)生過(guò)流時(shí)，流過(guò)PTC的電流增大，使PTC溫度升高，同時(shí)其阻值增大，限制電流的進(jìn)一步增加，使進(jìn)入電路板內的電流限制在一個(gè)較小的范圍內，對電路板可有效起到保護作用，同時(shí)不至于影響其它電路板的正常工作。使用PTC的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是可重復性，當過(guò)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(shí)需要注意其耐壓、不動(dòng)作電流及靜態(tài)電阻和動(dòng)作時(shí)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(guò)程中，時(shí)常出現：由于施工不小心，OC直接與12V短路，導致三極管、或者M(jìn)OS管，直接失效，導致現場(chǎng)大量三極管燒毀(這段文字，博主表示沒(méi)理解)

經(jīng)過(guò)優(yōu)化，可以通過(guò)下面電路，預防過(guò)流，導致三極管損毀。(這段文字，博主表示沒(méi)理解)

4、 過(guò)壓保護

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

5、上電時(shí)序控制電路

電路設計思路：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，當電路上電瞬間,主控芯片得電開(kāi)始工作，然后通過(guò)控制PMIC_ON_REQ引腳來(lái)控制其他模塊供電。