硬件开发基础知识(三):电流倒灌、热拔插、上电时序问题及其解决方法

news/2024/10/31 1:33:01/

最近在实验室工作呢,结果两个学弟一阵惊呼,说闻到糊味了。
这个时候我心里一惊:忙问道
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结果他们说是在调STM32单片机,然后一边烧程序,一边又把板子的电源线接到插排上,结果就把电脑主板烧了。我拿起电源线一看,12V,完了,学弟的主板怕是要换了。

这种事情之前也遇到过,有做Buck电路的同学,以单片机作为PWM输出,在烧好程序后并没有拔掉接线,直接打开了Buck电路的开关,结果电脑也烧了。

这其实就是由于电压差引起的倒灌现象了。

不知道大家在生活中有没有体会:有的时候,临近马桶的洗手池水龙头,会把马桶里面的污水抽出来,其实这就和今天要说的电流倒灌是一个原理:

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实际上,我们的水网,要想正常工作,那就是出水站的水压比我们用户水网高,这也是水站一般都建造城市附近高地的原因。
当停水的时候,马桶里原本储存的水的水压就比外面(空的管子)大,这样水就倒灌了。
这里我们可以看出,水(电流)的倒灌需要两个因素:

1.回流路径
2.水(电)压差

电流倒灌

为了彻底弄清楚,我们要知道现行的集成电路的接口电路模型,也就是马桶、水站、倒灌管道分别对应着电路里的何种组分。

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D1是CMOS电路中防静电的常见二极管,也有输入限幅的作用
D2是晶体管的寄生二极管,有一定的放电保护功能
D3用于保护CMOS电路放电时的干扰,一般的双极性晶体管也具有这个寄生二极管
D4是晶体管的集电极(双极性)或漏极(场效应管)的寄生电容,有放电作用
这些等效或者原本就存在的二极管首先就为电流倒灌提供了回路,这就相当于马桶倒灌事件里的水管。
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在一个具有先后上电顺序的情况下(或者可以看作右侧突然停电,或者拔插动作),左侧的电压如果足够大,那么就会通过二极管向右侧的VCC冲的充电,其实也就是去耦电容的充电,这样就会使二极管急速过载损坏,电容本身也可能损坏,瞬时的大电流甚至也会直接击毁元件本身。最好的情况也就是使得逻辑器件工作不正常。

解决方法有如下几种:
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我们可以看到,分别是加限流电阻(但无法防止电压的建立)、接上拉(会降低噪声容限)和在前级电路的电源加二极管(但压降会使供电电压下降)。
最有效的办法是使用双极性晶体管(不存在寄生电容D1)作为接口输入。
当然,在FPGA这种有着多种参考电平的系统设计的时候,考虑上电顺序也是一种解决办法。

热拔插问题
和刚刚叙述的原理一样,在已经通电的系统上进行拔插,无疑就会产生一个很大的拉电流,导致系统中组件的损坏。其实也就是防止大容性负载时的浪涌电流。

当然我们小时候也用过类似的东西,就是保险丝,当电流过大保险丝熔断断开电路,但是在集成电路中我们肯定不希望这样,第一我们希望最大限度地保护系统,第二我们希望保护电路在动作后能够自恢复,电路继续工作。

如图所示是常用的防浪涌电路:
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在C1放电时,mos管维持开路,不影响负载。C1充电时,Q1则会缓慢打开,从而不产生一个浪涌电压,其结果如下:
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可见一个突然的电压差,并没有导致一个瞬时值很大的电流峰值出现。

今天就说到这里。
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谢谢朋友们!


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