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电路设计要考虑的异常情况：电流倒灌、热插拔、过流保护、过压保护、上电时序

一、异常情况的思考

异常情况的思考

1、 电流倒灌

集成电路的典型模型如下：

1、 D1在大多数CMOS集成电路中起着防静电功能.同时辅助起着输入端限幅作用。但是在ABT,LVT,LVC和AHC/AHCT类集成电路中无此二极管。

2、D2是半导体集成所产生的寄生二极管(存在于所有数字集成电路),其辅助功能为对线路反射的下冲信号进行限幅，提供一些放电保护功能。

3、D3用于保护CMOS电路在放电时的干扰。在大多数双极性器件中也存在此二极管，但为寄生二极管。在集电极开路和三态输出的双极性器件中无此二极管。

4、D4在所有集成电路中均存在此二极管。它是器件的集电极或漏极的二极管。在双极性器件中还附加了一个肖特基二极管对线路反射的下冲信号进行限幅。在CMOS电路中附加了二极管以增加防静电功能。

电流倒灌产生的原因：

当使用CMOS型器件作为接口芯片在如下图所示的电路中使用时，如果Vcc2断电，Vcc1继续供给G1，G1的高电平输出电流将通过D1向Vcc2上的电容充电（该充电电流将使D1迅速过载并使其损坏。CMOS器件中D1只能承受20mA的电流）并在Vcc2上建立一电压，该电压使使用Vcc2供电的其它电路工作不正常，特别使可编程器件。

解决措施：

如图（a）：在信号线上加一个几欧姆的限流电阻，可防止过流损坏二极管D1，但不能解决灌流在Vcc上建立电压；

如图（b）：在信号线上加二极管D3及上拉电阻R，D3用于阻断灌流通路，R解决前级输出高电平时使G1的输入保持高电平。此方法即可解决灌流损坏二极管D1的问题，又可解决灌流在Vcc上建立电压。缺点是二极管D3的加入降低了G1的低电平噪声容限；

如图（c）：在G1的电源上增加二极管D7。缺点是前级输出高电平时，G1通过D1获得电压并从输出高电平给后级电路。同时降低了G1的供电电压，使其在正常使用时高电平输出电压降低。

最有效的解决方法是使用双极型的器件（如三极管）作为接口，由于双极型器件没有保护二极管D1存在，故不存在上述灌流通路。需要注意的是这时接口的输入、输出信号线上不能加上拉电阻（双极型器件输入悬空当高电平对待）。

2、 热插拔设计

Ø 热插拔对电源的影响

电路板上电或热插拔时会从电源拉出很大的启动电流并导致电源电压的波动，此现象控制不当将影响系统中其它电路的正常使用，甚至导致整个系统的损坏。

任何一个板卡都具有一定的负载电容，当板卡插入正常工作背板时，背板电源将使用较大的瞬时电流对插入板卡负载电容充电;当板卡从正常工作背板拔出时，由于板卡上的负载电容放电，在板卡与背板之间会形成一条低阻通路，也将产生较大的瞬时电流。浪涌现象会导致背板电源瞬时跌落，造成系统意外复位，甚至损坏接口电路，对于热插拔保护电路的研究将成为背板结构设备推广应用的关键。

热插拔电路的最低要求是提供浪涌电流限制，防止在大的容性负载加电时整个系统损坏。限流功能还有助于减小供电电源的尺寸，并防止在连接器接触时产生电弧。其它热插拔特性还包括：低等效串联电阻、断路器、状态指示、双插入点检测和电源就绪指示。

目前我公司的产品除个别处理机对电源采取上电限流措施外，其余电路板使用PTC对负载过流进行限制，但没有上电限流措施。

①、最简单的限流元件是保险丝，它可以单独使用或与其它保护元件配合使用，由于保险丝可以有效地防止过流的冲击，它们在系统中既是必须的(如UL 标准的规定)，也是系统遇到灾难性故障时的最终防线。标准保险丝的主要缺陷是只能一次性使用，另外一种可替代的小型器件是多重保险丝，这种保险丝的物理尺寸可以根据流过其自身电流所产生的热量而膨胀或缩短，多重保险丝的工作电压范围受温度的限制，但它能够自复位，这是相对于标准保险丝的最大优点。

②、普通热插拔电路由电容、齐纳管和FET 构成，如下图所示。通过对连接在Q1 栅、源极之间的电容C1 充电达到限制浪涌电流的目的。如果上电期间C1 放电，Q1 的栅极与源极相当于短路，Q1 将维持开路。C1 充电时，Vgs增大，Q1 缓慢开启。C1 的大小和Q1 的Vgs指标确定了Q1 的开启时间和负载电容C2 的充电时间。齐纳管ZD1 用于防止栅-源电压超出其最大额定值。

③、机械结构上，设计成USB插头的地引脚和电源引脚比较长，而两个数据引脚则比较短，这样在插入到插座中时，首先接通电源和地，然后再接通两个数据线。这样就可以保证电源在数据线之前接通，防止闩锁发生。

④、热插拔保护电路设计过程实例

热插拔保护电路设计过程实例

Ø 接口IC的热插拔

电路板上电或热插拔时如果处理不当，会通过信号线对系统中的其它电路板的正常使用造成影响，也可能造成接口IC的软损伤或硬损坏。所以在系统及电路板设计时应尽量满足以下要求：

电路板在热插拔时必须保证地端子首先连接，这是电路板正常工作的基础。在多电源系统，特别是有负电源同时使用的系统中，如果热插拔时不能保证电路板的地端子首先连接，则应尽量不在电路板的负电源上使用大容量的电容，因为在此情况下可能使电路板的地电位偏离到负电位，使接口IC的输入、输出管脚对地电压超过其耐受范围，造成接口IC管脚的损坏。

1、使用输入或输出端不带对电源保护二极管的IC；

2、使用具有上电三态功能的IC。

正确的电路板上电次序应为：

首先连接电路板的地；

其次连接电路板的电源；

连接电路板的复位端子；

最后连接电路板的信号端子。

3、 过流保护

过流保护技术在电源设计中使用较普遍，在电路板设计中可以借鉴。由于器件工作不正常或故障损坏等原因可能造成电路板电源过流，对此如果不加以限制可能给系统带来灾难性后果。

在电路板的电源入口处串联小阻值的PTC元件可对电源进行有效保护，当电路板产生过流时，流过PTC的电流增大，使PTC温度升高，同时其阻值增大，限制电流的进一步增加，使进入电路板内的电流限制在一个较小的范围内，对电路板可有效起到保护作用，同时不至于影响其它电路板的正常工作。使用PTC的另一个优点是可重复性，当过流条件不存在后，PTC的温度下降，阻值回到常态，不影响其正常使用。

选择PTC时需要注意其耐压、不动作电流及静态电阻和动作时间。案例：我们OC的输出，控制电磁阀。电磁阀一端接12V，一端接OC输出。但是在安装过程中，时常出现：由于施工不小心，OC直接与12V短路，导致三极管、或者MOS管，直接失效，导致现场大量三极管烧毁(这段文字，博主表示没理解)

经过优化，可以通过下面电路，预防过流，导致三极管损毁。(这段文字，博主表示没理解)

4、 过压保护

CON1为电源输入口，正常5V供电；FUL为2A保险丝，电流保护；D3是反向耐压40V，超过40V，D3阻抗减小电流增大，保险丝熔断保护后面电路；D5是5.1V稳压管，Q4是PMOS管，Q5是PNP三极管。当电压大于5.1V小于40V时，D5导通，Q5导通,D6故障指示灯亮起，Q4关闭，后级没电。正常供电时，Q4栅极被R108拉低，故正常导通供电，等D4电源指示灯正常亮起。

5、上电时序控制电路

电路设计思路：主控芯片的电源接VDD_5V或VDD_3V3,其他电路接GEN_5V或GEN_3V3电源，CON1为电源接口，当电路上电瞬间,主控芯片得电开始工作，然后通过控制PMIC_ON_REQ引脚来控制其他模块供电。

关键词：电路设计电路保护电流倒灌、热插拔、过流保护、过压保护、上电时序