如何解决热插拔时的电压过冲

摘要

热插拔是指将上电电压源连接到电子器件的输入电源或电池连接器。热插拔产生的电压瞬态尖峰会损坏器件内部的集成电路。该文解释了此类电压瞬变的根本原因，并提供了防止这些瞬变损坏电子产品中的集成电路(IC) 的可能设计。

1 引言

当将高于 5V 的 USB 适配器或多节电池热插入电子器件时，通常会出现一些电压尖峰或振铃。如果连接到输入电源或电池连接器的 IC 引脚没有足够的额定电压，IC 可能会损坏。本应用手册介绍并确定了电压尖峰和/或振铃的根本原因。此外，本应用还介绍了如何使用尺寸合适的电阻器和串联电容器 (RC) 或二极管来防止器件损坏。

2 根源

较长的电源适配器或电池电缆具有电阻和电感。电阻和电感由 Ri 和 Li 在图 2-1 中建模。Rc 和 Ci 表示 IC 的电源或电池引脚之前的输入电容和接地串联电阻。

充电器输入侧电压 VIN 由以下数学模型给出。

其中，总阻抗 Rt 为

该公式给出了电容器 Ci 两端的电压：

以下几个图绘制了不同电容、电感和电阻值下 VCi 随时间变化的情况。几乎所有电源 IC 高电流引脚都具有一些外部电容 Ci。图 2-2 表明较高的 CI 有助于抑制电压尖峰，但不会消除电压尖峰。图 2-3 展示了输入杂散电感 Li 对输入电压尖峰的影响，并确认电感较高的较长引线会导致更高的电压尖峰和长时间的振铃。如图 2-4 所示，抑制电压振铃的唯一方法是将串联电阻 Ri 添加到 Ci（bq24753A 具有低 Iq 和系统功率选择器的主机控制锂离子和锂聚合物电池充电器）。

3 RC 缓冲器

图 2-2 显示，更大限度地减小输入杂散电感、增加输入电容和增加电阻（包括使用更高的 ESR 电容器）有助于抑制输入电压尖峰。然而，用户通常无法控制输入杂散电感，并且增加额外的大电容会增加成本并占用更多布板空间。
阻尼因子为
(4)
$$R_i+R_C>2\times \sqrt[]{\frac{L_i}{C_i}}$$
电子器件的电缆长度以及串联电感 Li 有很大差异。电源引脚电容也会因 IC 而异，一般而言，不能具有较大的串联电阻。因此，有效且具有成本效益的方法是不使用 IC 引脚的电容，而是添加一个额外的小型电容器和串联电阻作为缓冲滤波器（通常称为 RC 缓冲器）。
图 3-1 图示了针对 BQ2579x 系列的推荐输入滤波器设计。如果使用长 PCB 布线和 GND 回路，则可以将滤波器放置在 PCB 的器件连接器上，也可以靠近 IC 放置。

这种 RC 组合对于常用的适配器电缆长度非常有效，但 RC 组合可能需要针对某些应用进行调整（bq24753A 具有低 Iq 和系统功率选择器的主机控制锂离子和锂聚合物电池充电器）。

4 TVS 二极管和齐纳二极管

RC 缓冲器非常适合滤除热插拔适配器引起的瞬变，热插拔适配器可保持稳定的直流电压电平为 IC 供电。但是，如果电源具有较大的电压摆幅，例如电池充电器输出端的电池经常对系统瞬态负载进行补充，则 RC 缓冲器不是理想选择。尽管比 RC 缓冲器成本更高，但 TVS 或齐纳二极管也可用于抑制适配器热插拔产生的电压尖峰。
瞬态电压抑制二极管（即 TVS 二极管）旨在保护电子元件免受电压尖峰的影响。一旦二极管上的电压超过雪崩击穿电势，TVS 二极管就开始工作。一旦该电压消失，TVS 二极管就会复位。TVS 二极管可以是单向的也可以是双向的。TVS 二极管的 I-V 曲线图如图 4-1 所示

齐纳二极管的工作方式与 TVS 二极管完全相同，齐纳二极管遵循类似的曲线。唯一的区别是，TVS 二极管旨在实现更快的响应速度和更高的浪涌电流传导能力。
要选择 TVS 二极管，首先要知道需要保护的 IC 引脚的最大安全工作电压和最小有害电压。选择的反向工作电压应高于电路的最大安全工作电压，而钳位电压应低于最小有害电压。
要选择齐纳二极管，需知道最大工作电压和最小有害电压。选择齐纳电压，使其介于最大工作电压和最小有害电压之间。

5 总结

总之，在电路中热插拔时，高电压会导致问题。高电压尖峰可能会立即或随着时间的推移而导致问题。令人欣慰的是，使用正确的工程方法可以预防这些问题。TVS 二极管、齐纳二极管和 RC 缓冲器是解决此问题的潜在权变措施。正确设计电路可以节省您的时间和资源并省去可能的麻烦。

来源：TI