硬件电路设计之防反接电路设计

描述

1 简介

在电路的设计过程中,电源设计十分重要。因为电源部分在Layout时,往往采用铺铜的方式,板卡电源部分出现问题是最头疼的(不太好飞线,直接升板可能存在其它的风险,出现问题的时候,我的表情是这样的)。今天主要来讲讲电源入口的设计,电源的入口无非包含以下几个方面: 保险丝TVS管防反接缓启动 。下面我们将各个部分设计进行详细说明,以及在设计过程中可能出现的问题也会重点提醒大家。

TVS管

2 保险丝电路设计

保险丝的主要功能是保护板载,当板卡出现短路出现过流时,能有效的保护电路。

2.1 保险丝的关键参数

本章节主要谈论在设计过程中应该注意的一些关键参数:

  • 额定电流

额定电流:是指它的的公称额定电流,即可以工作的最大电流。在选择保险丝时,会在实际电流的基础上留有50%的裕量。

案例:在实际电流1.5A的电路中,应该选择保险丝的额定电流为I = 1.5 * (1+50%) = 2.25A。

  • 额定电压

额定电压:是指它的公称额定电压,及保险丝熔断能承受的最大电压。保险丝的额定电压应该远大于实际工作电压。

案例:板载的入口电压为24V,可选用额定电压为110V的保险丝。

2.2 保险丝的分类

类型描述
电流保险丝当电流超过保险丝额定电流或者电压超过保险丝额定电压时,保险丝熔断。
温度保险丝是一种不可恢复的一次性热敏保护器件,有RH、RF、RY等系列,产品外观结构精巧、密封性好、动作温度灵敏可靠、电流冲击影响小、耐振动。
自恢复保险丝电流过大导致电路呈现开路状态的可自动恢复的保险丝,属于多次利用型,适合于过载保护电路。

3 TVS管电路设计

TVS管的中文名称是瞬态抑制二极管,其主要的功能是抑制浪涌,防止浪涌对电路的损害。当TVS管收到反向瞬态浪涌时,TVS管能瞬间由高阻态转换为低阻态,吸收大电流,并将电压钳位在预定的数值。

3.1 关键参数

  • 最小击穿电压VBR
    当TVS管流过规定的电流时,TVS管两端的电压称为最小击穿电压,此时TVS管呈现低阻态。
  • 额定反向关断电压VWM
    VWM是TVS在正常状态时可承受的电压,此电压应大于或等于被保护电路的正常工作电压。
  • 大峰值脉冲电流IPP
    IPP是TVS在反向状态工作时,在规定的脉冲条件下,器件允许通过的最大脉冲峰值电流。
  • 箝位电压Vc
    当脉冲峰值电流Ipp流过TVS时,其两端出现的最大电压值称为箝位电压Vc。Vc和Ipp反映了TVS的浪涌抑制能力。通常把Vc与VBR之比称为箝位因子(系数),其值一般在1.2~1.4之间。实际使用时,应使Vc不大于被保护电路的最大允许安全电压,否则被保护器件将面临被损坏的可能。

3.2 TVS的分类

TVS管

3.3 TVS的选型

在一些高速电路设计中,如果TVS选择不合适,往往会影响信号的质量。那么如何选择合适的TVS管?关键参数又是什么?高速TVS管,比较重要一个参数就是结电容,不同的选型的速率的信号,对结电容的要求不同,详见下图:(下图建议收藏)

TVS管

  • 在设计USB 2.0(480Mbps)电路时,应选择结电容≤0.6pF的TVS管;
  • 在设计USB 3.0(5Gbps)电路时,应选择结电容≤0.3pF的TVS管。

4 防反接电路设计

防反接电路可以划分两种场景进行设计:小电流场景、大电流场景。(划分的依据2A ,个人经验)

4.1 小电流使用场景

这种方式利用的是二极管的单向单调性,分析如下:

  • 正向导通 :电源正向时,二极管导通,相当于短路,系统能正常工作。
  • 反向截至 :电源反向时,二极管断开相当于开路,系统无法正常工作。

TVS管

4.2 大电流使用场景

大电流可采用PMOS或者NMOS搭建防反接电路。这里我们直接以PMOS为例:

TVS管

分析

  • 正向电源 :由于体二极管,S极的电压近似等于D极电压,R4和R3进行分压,R3两点的电压与Vgs的电压相等,且|Vgs|>|Vth|,MOS管导通,系统正常工作。
  • 反向电源 :体二极管截止,|Vgs| = |Vth|,MOS管截止,系统无法正常工作。
    注意 :使用NMOS同样可以搭建防反接电路。

5 缓启动电路

  • 不带使能缓启动电路

电路的主要组成部分包含了R1、R2、C1、Q1组成,通过简单元器件就可以使用缓启动功能。电源的输出是由PMOS的打开和关闭控制,缓启动的实质就是让PMOS管的打开的时间变得缓慢,此处我们采取的措施是在栅极和源极之间增加一个电容C1,使PMOS的导通时间变得缓慢。导通的时间与R1、R2、C1的参数是强相关的。

TVS管

下面就是有、无缓启动时,电压随时间变化的示意图:

TVS管

  • 带使能缓启动电路

在缓启动电路中,电阻R1、电阻R2和电容C1构成分压式RC时间常数电路,,C1并联在Q1的GS极之间,也就是Vc1=Vgs。当12V电源刚加到单板时,C1未充电,Vgs=0,MOS不导通,电源模块不供电。随后,12V通过R1,R2向C7充电,当C1的电压达到Vth时,MOS开始导通,这一阶段,完成的是延时上电的作用。

TVS管

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