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）

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）

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。

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管和双向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	大	小

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。

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：

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。