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摘要

熱插拔是指將上電電壓源連接到電子器件的輸入電源或電池連接器。熱插拔產(chǎn)生的電壓瞬態(tài)尖峰會損壞器件內(nèi)部的集成電路。該文解釋了此類電壓瞬變的根本原因，并提供了防止這些瞬變損壞電子產(chǎn)品中的集成電路(IC) 的可能設(shè)計。

1 引言

當將高于 5V 的 USB 適配器或多節(jié)電池熱插入電子器件時，通常會出現(xiàn)一些電壓尖峰或振鈴。如果連接到輸入電源或電池連接器的 IC 引腳沒有足夠的額定電壓，IC 可能會損壞。本應(yīng)用手冊介紹并確定了電壓尖峰和/或振鈴的根本原因。此外，本應(yīng)用還介紹了如何使用尺寸合適的電阻器和串聯(lián)電容器 (RC) 或二極管來防止器件損壞。

2 根源

較長的電源適配器或電池電纜具有電阻和電感。電阻和電感由 Ri 和 Li 在圖 2-1 中建模。Rc 和 Ci 表示 IC 的電源或電池引腳之前的輸入電容和接地串聯(lián)電阻。

圖 2-1. 適配器插入期間的簡化等效電路

充電器輸入側(cè)電壓 VIN 由以下數(shù)學模型給出。

以下幾個圖繪制了不同電容、電感和電阻值下 VCi 隨時間變化的情況。幾乎所有電源 IC 高電流引腳都具有一些外部電容 Ci。圖 2-2 表明較高的 CI 有助于抑制電壓尖峰，但不會消除電壓尖峰。圖 2-3 展示了輸入雜散電感 Li 對輸入電壓尖峰的影響，并確認電感較高的較長引線會導致更高的電壓尖峰和長時間的振鈴。如圖 2-4 所示，抑制電壓振鈴的唯一方法是將串聯(lián)電阻 Ri 添加到 Ci（bq24753A 具有低 Iq 和系統(tǒng)功率選擇器的主機控制鋰離子和鋰聚合物電池充電器）。

圖 2-2. 電容對 VCi 的影響

圖 2-3. 電感對 VCi 的影響

圖 2-4. 電阻對 VCi 的影響

3 RC 緩沖器

圖 2-2 顯示，更大限度地減小輸入雜散電感、增加輸入電容和增加電阻（包括使用更高的 ESR 電容器）有助于抑制輸入電壓尖峰。然而，用戶通常無法控制輸入雜散電感，并且增加額外的大電容會增加成本并占用更多布板空間。

阻尼因子為

(4)

電子器件的電纜長度以及串聯(lián)電感 Li 有很大差異。電源引腳電容也會因 IC 而異，一般而言，不能具有較大的串聯(lián)電阻。因此，有效且具有成本效益的方法是不使用 IC 引腳的電容，而是添加一個額外的小型電容器和串聯(lián)電阻作為緩沖濾波器（通常稱為 RC 緩沖器）。

圖 3-1 圖示了針對 BQ2579x 系列的推薦輸入濾波器設(shè)計。如果使用長 PCB 布線和 GND 回路，則可以將濾波器放置在 PCB 的器件連接器上，也可以靠近 IC 放置。

圖 3-1. 推薦的輸入濾波器設(shè)計

這種 RC 組合對于常用的適配器電纜長度非常有效，但 RC 組合可能需要針對某些應(yīng)用進行調(diào)整（bq24753A 具有低 Iq 和系統(tǒng)功率選擇器的主機控制鋰離子和鋰聚合物電池充電器）。

4 TVS 二極管和齊納二極管

RC 緩沖器非常適合濾除熱插拔適配器引起的瞬變，熱插拔適配器可保持穩(wěn)定的直流電壓電平為 IC 供電。但是，如果電源具有較大的電壓擺幅，例如電池充電器輸出端的電池經(jīng)常對系統(tǒng)瞬態(tài)負載進行補充，則 RC 緩沖器不是理想選擇。盡管比 RC 緩沖器成本更高，但 TVS 或齊納二極管也可用于抑制適配器熱插拔產(chǎn)生的電壓尖峰。

瞬態(tài)電壓抑制二極管（即 TVS 二極管）旨在保護電子元件免受電壓尖峰的影響。一旦二極管上的電壓超過雪崩擊穿電勢，TVS 二極管就開始工作。一旦該電壓消失，TVS 二極管就會復(fù)位。TVS 二極管可以是單向的也可以是雙向的。TVS 二極管的 I-V 曲線圖如圖 4-1 所示

圖 4-1. TVS 二極管特性

齊納二極管的工作方式與 TVS 二極管完全相同，齊納二極管遵循類似的曲線。唯一的區(qū)別是，TVS 二極管旨在實現(xiàn)更快的響應(yīng)速度和更高的浪涌電流傳導能力。

要選擇 TVS 二極管，首先要知道需要保護的 IC 引腳的最大安全工作電壓和最小有害電壓。選擇的反向工作電壓應(yīng)高于電路的最大安全工作電壓，而鉗位電壓應(yīng)低于最小有害電壓。

要選擇齊納二極管，需知道最大工作電壓和最小有害電壓。選擇齊納電壓，使其介于最大工作電壓和最小有害電壓之間。

5 總結(jié)

總之，在電路中熱插拔時，高電壓會導致問題。高電壓尖峰可能會立即或隨著時間的推移而導致問題。令人欣慰的是，使用正確的工程方法可以預(yù)防這些問題。TVS 二極管、齊納二極管和 RC 緩沖器是解決此問題的潛在權(quán)變措施。正確設(shè)計電路可以節(jié)省您的時間和資源并省去可能的麻煩。