怎样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。该文表明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) 的大概设计。
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 引脚没有富足的额定电压，IC 大概会损坏。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，本应用还介绍了怎样使用尺寸符合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 表现 IC 的电源或电池引脚之前的输入电容和接地串联电阻。
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图 2-1. 适配器插入期间的简化等效电路
充电器输入侧电压 VIN 由以下数学模型给出。
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其中，总阻抗 Rt 为
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该公式给出了电容器 Ci 两端的电压：
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以下几个图绘制了不同电容、电感和电阻值下 VCi 随时间变革的情况。几乎全部电源 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）。
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图 2-2. 电容对 VCi 的影响
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图 2-3. 电感对 VCi 的影响
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图 2-4. 电阻对 VCi 的影响
3 RC 缓冲器
图 2-2 显示，更大限度地减小输入杂散电感、增长输入电容和增长电阻（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，并且增长额外的大电容会增长成本并占用更多布板空间。
阻尼因子为
(4)
R i + R C > 2 × L i C i R_i + R_C > 2 \times \sqrt[]{\frac{L_i}{C_i}} Ri+RC>2×CiLi
电子器件的电缆长度以及串联电感 Li 有很大差别。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，有用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 系列的保举输入滤波器设计。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。
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图 3-1. 保举的输入滤波器设计
这种 RC 组合对于常用的适配器电缆长度非常有用，但 RC 组合大概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 缓冲器非常得当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，比方电池充电器输出端的电池常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凌驾雪崩击穿电势，TVS 二极管就开始工作。一旦该电压消散，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
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图 4-1. TVS 二极管特性
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相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，高电压会导致题目。高电压尖峰大概会立即或随着时间的推移而导致题目。令人欣慰的是，使用正确的工程方法可以防备这些题目。TVS 二极管、齐纳二极管和 RC 缓冲器是解决此题目的潜在权变步伐。正确设计电路可以节省您的时间和资源并省去大概的麻烦。
泉源：TI
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