电路设计异常要考虑：电流倒灌、热插拔、过流保护、过压保护、上电电流

一、异常情况的思考

异常情况的思考

1、电流倒灌

集成电路的模型典型如下：

1、D1在大多数CMOS集成电路中产生了抗静电功能。同时辅助产生了输入端限幅作用。但在ABT、LVT、LVC和AHC/AHCT类集成电路中无此缺陷。
2、D2是半导体集成产生的生命存在缺陷(于所有数字集成电路)，其辅助功能为对线路引用的下冲信号进行限幅，提供一些电流保护功能。
3、D3用于保护CMOS电路在短路时的干扰。在大多数双器件器件中也附加了此，但为寄生器件二极管。在集电极开路和三态输出的双器件中无此器件。4
、D4在所有集成电路中均存在此器件。它是器件存在的集电极或漏极的器件。在双器件器件中还附加了一个肖特基器件对线路通路的下冲信号进行限制幅度。在CMOS电路中附加了器件以增加防器件器件。

电流倒灌产生的原因：

当使用CMOS型器件作为接口芯片时，在如下图所示的电路中使用时，如果Vcc2断电，Vcc1继续给G1供电，G1的高电平电流输出将通过D1向Vcc2上的电容充电（该充电电流引起D1急剧过载而损坏。CMOS器件中D1只）能承受20mA的电流）并在Vcc2上建立一个电压，该电压使使用Vcc2供电的其他电路工作不正常，特别是使附加器件。

解决措施：

如图（a）：在信号解决线上加一个几欧姆的限流电阻，可防止过流损坏损坏D1，但不能在V上灌流c c上建立电压；

今晚（b）：在信号线上加阻流D3及上拉电阻R，D3用于阻断灌流无菌，R解决前级输出高电平时使G1的输入保持高电平。此方法即可解决灌流损伤阻流D1的问题，又可解决灌流在Vcc上建立电压。失败是阻流D3的加入降低了G1的低电平噪声容限；

下面（c）：在G1的电源上增加了D7。遇到了前级输出高电平时，G1通过D1获得电压并从输出高电平给后级电路。同时降低了G1的电源电压，使在正常使用时高电平输出电压降低。

最有效的解决方法是使用双极型器件（如三极管）接口，由于双极型器件没有保护D1，故不上述灌流数据。需要注意的是随后接口的输入、输出信号不能加上拉电阻（双极型器件输入悬空当高水平存在时）。

2、热拔插设计

Ø 热插拔对电源的影响

电路板上电或热插拔时会从电源拉出很大的启动电流并导致电源电压波动，此现象控制不当将影响系统中其他电路的正常使用，甚至导致整个系统的损坏。
任何一块板卡都一定带有负载电容，当板卡插入正常工作背板时，背板电源将使用较大的电流插入对卡板负载电容充电；当板卡从正常工作背板拔出时，由于板卡上的负载电容短路，在板卡与背板之间会出现一条低阻抗，也会产生加大的瞬时电流。浪涌现象会导致背板电源瞬间跌落，造成系统意外复位，甚至损坏接口电路，对于热插拔保护电路的研究将背板结构设备推广应用的关键。

热插拔电路的最低要求是提供浪涌电流，防止在大的容量性负载加电时整个系统损坏。限流功能还有助于缩小供电电源的尺寸，并防止在连接器接触时产生电弧。其他热插拔电路的最低要求是提供浪涌电流，防止在大的容量性负载加电时整个系统损坏。限流功能还有助于缩小供电电源的尺寸，并防止在连接器接触时产生电弧。其他热插拔电路的最低要求是提供浪涌电流，防止在大的容量性负载加电时整个系统损坏。其他热插拔电路的限制特性还包括：低电阻、电阻、状态指示、双插点检测和电源指示。

目前我公司的产品除一般处理机对电源采取上电限流措施外，其余电路板采用PTC对负载过流进行限制，但没有上电限流措施。

①、最简单的限流元件是保险丝，它可以单独使用或与其他保护元件配合使用，由于保险丝可以有效地防止过流的冲击，它们在系统中既是必须的(如UL标准的规定），也是系统遇到灾难性故障时的最终防线。标准保险丝的主要缺陷只能间歇使用，另外一种可替代的小型器件是锁定保险丝，这种保险丝的物理大小可以根据流过其自身电流所产生的热量和膨胀或短路，锁定保险丝的电压工作范围受温度的限制，但它能够自复位，这是相对于标准保险丝的最大优点。

②、普通热插拔电路由电容、齐纳管和场效应管组成，如下图所示。通过对连接在Q1栅、源极之间的电容C1充电达到涌流限制浪电流的。如果上电期间C1短路，Q1的电流与源极短路，Q1将维持开路。C1充电时，Vgs增大，Q1缓慢开启。C1的大小和Q1的Vgs指标确定了Q1的关断时间和负载电容C2 ③、机械结构上，设计成USB插头的地引脚和电源引脚比较长，而两个数据引脚则比较短，这样在插入到插座中时，首先插入电源和地，然后再插入两个数据线。

这样就可以保证电源在数据线上，防止插头锁发生。
④、热插拔保护电路设计流程实例

Ø 接口IC热插拔

电路板上电或热插拔时如果处理不当，会通过信号线对系统中的其他电路板的正常使用造成影响，也可能造成接口IC的软损伤或硬损坏。所以在系统及电路板设计时应尽量满足以下要求：

电路板在热插拔时必须保证地端子首次连接，这是电路板正常工作的基础。在多电源系统中，特别是有负电源同时使用的系统中，如果热插拔时不能保证电路板的地端子首次连接，则应在电路板的负电源上使用大容量的电容，因为这种情况下可能使电路板的地电位断开负电位，使接口IC的输入、输出管脚对地电压超过其范围，造成接口IC管脚的损坏。
1、使用输入或输出端不带对电源保护的IC；

2、使用具有上电三态功能的IC。

正确的电路板电源顺序应为：
第一个连接电路板的地；
第二个连接电路板的电源；
连接电路板的复位端子；
最后一个连接电路板的信号端子。

3、过流保护

过流保护技术在电源设计中使用比较普遍，在电路板设计中可以得到。由于器件工作不正常或故障损坏等原因可能造成电路板电源过流，因此如果不进行限制可能给系统带来灾难性后果。

在电路板的电源入口处串联小阻值的PTC元件可对电源进行有效保护，当电路板产生过流时，流过PTC的电流增大，使PTC温度升高，同时其阻值增大，限制电流的进一步增加，使进入电路板内部的电流限制在较小的范围内，对电路板可有效起到保护作用，同时不至于影响其他电路板的正常工作。使用PTC的另一个优点是可重复性，当过流状态不存在后，PTC的温度下降，阻值恢复常态，不影响其正常使用。

选择PTC时需要注意其耐压、不动作电流及静态电阻和动作时间。案例：我们OC的输出，控制电磁阀。电磁阀一端接12V，一端接OC输出。但安装过程中，时常出现：由于施工不小心，OC直接与12V短路，导致三极管、或者MOS管，直接故障，导致大量三极管烧毁(布尔文字，博主表示下面没理解)

经过优化，可以通过电路，预防过流，导致三极管损毁。(布尔文字，博主表示下面没理解)

4、过压保护

CON1为电源输入口，正常5V供电；FUL为2A保险丝，电流保护；D3为逆向耐压40V，超过40V，D3阻抗减小电流增大，保险丝熔断保护后面电路；D5为5.1V稳压管，Q4为PMOS管，Q 5是PNP三极管。当电压大于5.1V小于40V时，D5导通，Q5导通，D6故障指示灯亮起，Q4关闭，后级没电。正常供电时，Q4电流被R108拉低，故正常导通供电，等D4电源电源正常亮起。

5、上电时序控制电路

电路设计思路：主控芯片的电源接VDD_5V或VDD_3V3，其他电路接GEN_5V或GEN_3V3电源，CON1为电源接口，当电路上电瞬间，主控芯片得电开始工作，然后通过控制PMIC_ON_REQ引脚来控制其他模块供电。