熱插拔，即把上電電壓源連接到電子器件的輸入電源或電池連接器這一操作，在現(xiàn)代電子設(shè)備的使用中十分常見。然而，熱插拔過程中產(chǎn)生的電壓瞬態(tài)尖峰，卻可能對器件內(nèi)部的集成電路造成損壞。本文將深入解釋此類電壓瞬變的根本原因，并提供防止這些瞬變損壞電子產(chǎn)品中集成電路（IC）的有效設(shè)計(jì)方案。

圖 2 - 1. 適配器插入期間的簡化等效電路

引言

當(dāng)將高于 5V 的 USB 適配器或多節(jié)電池?zé)岵迦腚娮悠骷r，常常會出現(xiàn)電壓尖峰或振鈴現(xiàn)象。若連接到輸入電源或電池連接器的 IC 引腳額定電壓不足，IC 就可能遭受損壞。本應(yīng)用手冊旨在明確電壓尖峰和 / 或振鈴的根本原因，并介紹如何運(yùn)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。

根源

較長的電源適配器或電池電纜具有電阻和電感特性，在圖 2 - 1 中，電阻和電感分別由 Ri 和 Li 建模。Rc 和 Ci 則表示 IC 的電源或電池引腳之前的輸入電容和接地串聯(lián)電阻。充電器輸入側(cè)電壓 VIN 由特定的數(shù)學(xué)模型給出。

以下幾個圖展示了不同電容、電感和電阻值下 VCi 隨時間的變化情況。幾乎所有電源 IC 高電流引腳都有一定的外部電容 Ci。從圖 2 - 2 可以看出，較高的 CI 有助于抑制電壓尖峰，但無法完全消除。圖 2 - 3 顯示輸入雜散電感 Li 對輸入電壓尖峰有顯著影響，較長引線且電感較高會導(dǎo)致更高的電壓尖峰和長時間的振鈴。如圖 2 - 4 所示，將串聯(lián)電阻 Ri 添加到 Ci 是抑制電壓振鈴的有效方法。

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

RC 緩沖器

圖 2 - 2 表明，限度減小輸入雜散電感、增加輸入電容和電阻（包括使用更高等效串聯(lián)電阻（ESR）的電容器）有助于抑制輸入電壓尖峰。但在實(shí)際應(yīng)用中，用戶往往難以控制輸入雜散電感，而且增加額外的大電容會提高成本并占用更多布板空間。電子器件的電纜長度和串聯(lián)電感 Li 差異較大，電源引腳電容也因 IC 而異，通常不能有較大的串聯(lián)電阻。因此，一種有效且經(jīng)濟(jì)的方法是不依賴 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，即 RC 緩沖器。

圖 3 - 1. 推薦的輸入濾波器設(shè)計(jì)
這種 RC 組合對于常用的適配器電纜長度效果顯著，但在某些應(yīng)用中可能需要進(jìn)行調(diào)整。

TVS 二極管和齊納二極管

RC 緩沖器適合濾除熱插拔適配器引起的瞬變，能使 IC 保持穩(wěn)定的直流電壓供電。然而，如果電源電壓擺幅較大，如電池充電器輸出端的電池需經(jīng)常補(bǔ)充系統(tǒng)瞬態(tài)負(fù)載，RC 緩沖器就不是選擇。盡管成本高于 RC 緩沖器，但 TVS 二極管或齊納二極管可用于抑制適配器熱插拔產(chǎn)生的電壓尖峰。

圖 4 - 1. TVS 二極管特性
瞬態(tài)電壓抑制二極管（TVS 二極管）用于保護(hù)電子元件免受電壓尖峰影響，當(dāng)二極管上的電壓超過雪崩擊穿電勢時開始工作，電壓消失后復(fù)位，有單向和雙向之分。齊納二極管的工作方式與 TVS 二極管類似，但 TVS 二極管響應(yīng)速度更快，浪涌電流傳導(dǎo)能力更強(qiáng)。選擇 TVS 二極管時，需了解要保護(hù)的 IC 引腳的安全工作電壓和有害電壓，所選反向工作電壓應(yīng)高于安全工作電壓，鉗位電壓應(yīng)低于有害電壓。選擇齊納二極管時，要使齊納電壓介于工作電壓和有害電壓之間。