数字电路硬件设计系列(一)之电源入口设计(保险丝+TVS管+防反接电路)

这篇具有很好参考价值的文章主要介绍了数字电路硬件设计系列(一)之电源入口设计(保险丝+TVS管+防反接电路)。希望对大家有所帮助。如果存在错误或未考虑完全的地方,请大家不吝赐教,您也可以点击"举报违法"按钮提交疑问。

推荐查看原文(更详细):硬件电路设计之电源入口设计(详细设计)1 简介在电路的设计过程中,电源设计十分重要。因为电源部分在Layout时,往往采用铺铜的方式,板卡电源部分https://mp.weixin.qq.com/s/Awl4j1xT2nWUqpcR7Oke9Q

1 简介

        板载的电源设计通常包含三个部分:保险丝、TVS管、防反接电路。关于这三者的顺序,不同人有不同的理解。我的理解:保险丝的应是板载的第一道防护,浪涌可能对防反接电路上的器件造成不可逆的损坏,因此TVS管应该在防反接电路的前端。(如有不同的理解可以在下方评论区谈论)

数字电路硬件设计系列(一)之电源入口设计(保险丝+TVS管+防反接电路)

电源入口设计

 下面分别将上述几个部分进行详细描述。

2 保险丝

        保险丝的的应用十分广泛,基本上每块单板的入口都能有他们的影响。其主要是防止电流过大造成元器件的损坏。保险丝常见的参数有以下几个:

2.1 保险丝的关键参数

该章节指讨论一些在选型过程比较关注的参数:

  • 额定电流:保险丝的额定电流是指它的公称额定电流,即可以工作的最大电流。在进行保险丝选型时,会留有30%的裕量。

在工作电流为1.5A的电路中,应选择保险丝的额定电流I=1.5*(1+30%)= 1.95A ≈ 2A

  • 额定电压:保险丝的额定电压是指它的公称额定电压,即保险丝熔断后能承受的最大电压。保险丝正常工作的电压应远小于额定电压。

220V的保险丝可以用于110V的电路。

2.2 保险丝的选型案例

板载入口的电压为5V,最大电流为1.5A,那么保险丝的规格该如何选取:

额定电流I = 1.5A *(1 + 30% )= 1.95A

下面的规格的保险丝完全能满足要求:熔断电流为2.1A,额定电压为24V。

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保险丝选型

 3 TVS管

        TVS管的中文名称是瞬态抑制二极管,其主要的功能是抑制浪涌,防止浪涌对电路的损害。当TVS管收到反向瞬态浪涌时,TVS管能瞬间由高阻态转换为低阻态,吸收大电流,并将电压钳位在预定的数值。

3.1 TVS管的主要参数

  •  最小击穿电压VBR:当TVS管流过规定的电流时,TVS管两端的电压成为最小击穿电压,此时TVS管呈现低阻态。
  • 额定反向关断电压VWM:VWM是TVS在正常状态时可承受的电压,此电压应大于或等于被保护电路的正常工作电压。
  • 大峰值脉冲电流IPP:IPP是TVS在反向状态工作时,在规定的脉冲条件下,器件允许通过的最大脉冲峰值电流。
  • 箝位电压Vc:当脉冲峰值电流Ipp流过TVS时,其两端出现的最大电压值称为箝位电压Vc。Vc和Ipp反映了TVS的浪涌抑制能力。通常把Vc与VBR之比称为箝位因子(系数),其值一般在1.2~1.4之间。实际使用时,应使Vc不大于被保护电路的最大允许安全电压,否则被保护器件将面临被损坏的可能。

3.2 TVS管的分类

TVS管主要可以分为单向TVS管双向TVS管

单向TVS管 双向TVS管
应用场景 直流  交流
特性 与稳压二极管相似 相当于两个稳压二极管反向串联。
极间电容Cj

4 防反接电路

        防反接电路可以划分两种场景进行设计:小电流场景大电流场景。(划分的依据2A ,个人经验)

4.1 小电流场景

正向导通:电源正向时,二极管导通,相当于短路,系统能正常工作。

反向截至:电源反向时,二极管断开,相当于开路,系统无法正常工作。

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小电流场景

 4.2 大电流场景

大电流可采用PMOS或者NMOS搭建防反接电路。这里我们直接以PMOS为例:

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PMOS搭建防反接电路

 分析:

正向电源由于体二极管,S极的电压近似等于D极电压,R4和R3进行分压,R3两点的电压与Vgs的电压相等,且|Vgs|>|Vth|,MOS管导通,系统正常工作。

反向电源体二极管截至,|Vgs| = |Vth|,MOS管截至,系统无法正常工作。

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