硬件电路设计之防反接电路设计

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。

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

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）

• 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。

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：

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。

下面就是有、无缓启动时，电压随时间变化的示意图：

• 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。