硬件電路設(shè)計(jì)之防反接電路設(shè)計(jì)

1 簡介

在電路的設(shè)計(jì)過程中，電源設(shè)計(jì)十分重要。因?yàn)殡娫床糠衷贚ayout時(shí)，往往采用鋪銅的方式，板卡電源部分出現(xiàn)問題是最頭疼的（不太好飛線，直接升板可能存在其它的風(fēng)險(xiǎn)，出現(xiàn)問題的時(shí)候，我的表情是這樣的）。今天主要來講講電源入口的設(shè)計(jì)，電源的入口無非包含以下幾個(gè)方面： 保險(xiǎn)絲 、 TVS管 、 防反接 、 緩啟動(dòng) 。下面我們將各個(gè)部分設(shè)計(jì)進(jìn)行詳細(xì)說明，以及在設(shè)計(jì)過程中可能出現(xiàn)的問題也會(huì)重點(diǎn)提醒大家。

2 保險(xiǎn)絲電路設(shè)計(jì)

保險(xiǎn)絲的主要功能是保護(hù)板載，當(dāng)板卡出現(xiàn)短路出現(xiàn)過流時(shí)，能有效的保護(hù)電路。

2.1 保險(xiǎn)絲的關(guān)鍵參數(shù)

本章節(jié)主要談?wù)撛谠O(shè)計(jì)過程中應(yīng)該注意的一些關(guān)鍵參數(shù)：

• 額定電流

額定電流：是指它的的公稱額定電流，即可以工作的最大電流。在選擇保險(xiǎn)絲時(shí)，會(huì)在實(shí)際電流的基礎(chǔ)上留有50%的裕量。

案例：在實(shí)際電流1.5A的電路中，應(yīng)該選擇保險(xiǎn)絲的額定電流為I = 1.5 * （1+50%） = 2.25A。

• 額定電壓

額定電壓：是指它的公稱額定電壓，及保險(xiǎn)絲熔斷能承受的最大電壓。保險(xiǎn)絲的額定電壓應(yīng)該遠(yuǎn)大于實(shí)際工作電壓。

案例：板載的入口電壓為24V，可選用額定電壓為110V的保險(xiǎn)絲。

2.2 保險(xiǎn)絲的分類

3 TVS管電路設(shè)計(jì)

TVS管的中文名稱是瞬態(tài)抑制二極管，其主要的功能是抑制浪涌，防止浪涌對電路的損害。當(dāng)TVS管收到反向瞬態(tài)浪涌時(shí)，TVS管能瞬間由高阻態(tài)轉(zhuǎn)換為低阻態(tài)，吸收大電流，并將電壓鉗位在預(yù)定的數(shù)值。

3.1 關(guān)鍵參數(shù)

• 最小擊穿電壓VBR
  當(dāng)TVS管流過規(guī)定的電流時(shí)，TVS管兩端的電壓稱為最小擊穿電壓，此時(shí)TVS管呈現(xiàn)低阻態(tài)。
• 額定反向關(guān)斷電壓VWM
  VWM是TVS在正常狀態(tài)時(shí)可承受的電壓，此電壓應(yīng)大于或等于被保護(hù)電路的正常工作電壓。
• 大峰值脈沖電流IPP
  IPP是TVS在反向狀態(tài)工作時(shí)，在規(guī)定的脈沖條件下，器件允許通過的最大脈沖峰值電流。
• 箝位電壓Vc
  當(dāng)脈沖峰值電流Ipp流過TVS時(shí)，其兩端出現(xiàn)的最大電壓值稱為箝位電壓Vc。Vc和Ipp反映了TVS的浪涌抑制能力。通常把Vc與VBR之比稱為箝位因子(系數(shù))，其值一般在1.2～1.4之間。實(shí)際使用時(shí)，應(yīng)使Vc不大于被保護(hù)電路的最大允許安全電壓，否則被保護(hù)器件將面臨被損壞的可能。

3.2 TVS的分類

3.3 TVS的選型

在一些高速電路設(shè)計(jì)中，如果TVS選擇不合適，往往會(huì)影響信號(hào)的質(zhì)量。那么如何選擇合適的TVS管？關(guān)鍵參數(shù)又是什么？高速TVS管，比較重要一個(gè)參數(shù)就是結(jié)電容，不同的選型的速率的信號(hào)，對結(jié)電容的要求不同，詳見下圖：（下圖建議收藏）

• 在設(shè)計(jì)USB 2.0(480Mbps)電路時(shí)，應(yīng)選擇結(jié)電容≤0.6pF的TVS管；
• 在設(shè)計(jì)USB 3.0(5Gbps)電路時(shí)，應(yīng)選擇結(jié)電容≤0.3pF的TVS管。

4 防反接電路設(shè)計(jì)

防反接電路可以劃分兩種場景進(jìn)行設(shè)計(jì)：小電流場景、大電流場景。（劃分的依據(jù)2A ，個(gè)人經(jīng)驗(yàn)）

4.1 小電流使用場景

這種方式利用的是二極管的單向單調(diào)性，分析如下：

• 正向?qū)?/strong> ：電源正向時(shí)，二極管導(dǎo)通，相當(dāng)于短路，系統(tǒng)能正常工作。
• 反向截至 ：電源反向時(shí)，二極管斷開相當(dāng)于開路，系統(tǒng)無法正常工作。

4.2 大電流使用場景

大電流可采用PMOS或者NMOS搭建防反接電路。這里我們直接以PMOS為例：

分析 ：

• 正向電源 ：由于體二極管，S極的電壓近似等于D極電壓，R4和R3進(jìn)行分壓，R3兩點(diǎn)的電壓與Vgs的電壓相等，且|Vgs|＞|Vth|,MOS管導(dǎo)通，系統(tǒng)正常工作。
• 反向電源 ：體二極管截止，|Vgs| = |Vth|，MOS管截止，系統(tǒng)無法正常工作。
  注意 ：使用NMOS同樣可以搭建防反接電路。

5 緩啟動(dòng)電路

• 不帶使能緩啟動(dòng)電路

電路的主要組成部分包含了R1、R2、C1、Q1組成，通過簡單元器件就可以使用緩啟動(dòng)功能。電源的輸出是由PMOS的打開和關(guān)閉控制，緩啟動(dòng)的實(shí)質(zhì)就是讓PMOS管的打開的時(shí)間變得緩慢，此處我們采取的措施是在柵極和源極之間增加一個(gè)電容C1，使PMOS的導(dǎo)通時(shí)間變得緩慢。導(dǎo)通的時(shí)間與R1、R2、C1的參數(shù)是強(qiáng)相關(guān)的。

下面就是有、無緩啟動(dòng)時(shí)，電壓隨時(shí)間變化的示意圖：

• 帶使能緩啟動(dòng)電路

在緩啟動(dòng)電路中，電阻R1、電阻R2和電容C1構(gòu)成分壓式RC時(shí)間常數(shù)電路，，C1并聯(lián)在Q1的GS極之間，也就是Vc1＝Vgs。當(dāng)12V電源剛加到單板時(shí)，C1未充電，Vgs＝0，MOS不導(dǎo)通，電源模塊不供電。隨后，12V通過R1，R2向C7充電，當(dāng)C1的電壓達(dá)到Vth時(shí)，MOS開始導(dǎo)通，這一階段，完成的是延時(shí)上電的作用。