1 簡介

在電路的設計過程中，電源設計十分重要。因為電源部分在Layout時，往往采用鋪銅的方式，板卡電源部分出現問題是最頭疼的（不太好飛線，直接升板可能存在其它的風險，出現問題的時候，我的表情是這樣的）。今天主要來講講電源入口的設計，電源的入口無非包含以下幾個方面： 保險絲 、 TVS管 、 防反接 、 緩啟動 。下面我們將各個部分設計進行詳細說明，以及在設計過程中可能出現的問題也會重點提醒大家。

2 保險絲電路設計

保險絲的主要功能是保護板載，當板卡出現短路出現過流時，能有效的保護電路。

2.1 保險絲的關鍵參數

本章節主要談論在設計過程中應該注意的一些關鍵參數：

• 額定電流

額定電流：是指它的的公稱額定電流，即可以工作的最大電流。在選擇保險絲時，會在實際電流的基礎上留有50%的裕量。

案例：在實際電流1.5A的電路中，應該選擇保險絲的額定電流為I = 1.5 * （1+50%） = 2.25A。

• 額定電壓

額定電壓：是指它的公稱額定電壓，及保險絲熔斷能承受的最大電壓。保險絲的額定電壓應該遠大于實際工作電壓。

案例：板載的入口電壓為24V，可選用額定電壓為110V的保險絲。

2.2 保險絲的分類

3 TVS管電路設計

TVS管的中文名稱是瞬態抑制二極管，其主要的功能是抑制浪涌，防止浪涌對電路的損害。當TVS管收到反向瞬態浪涌時，TVS管能瞬間由高阻態轉換為低阻態，吸收大電流，并將電壓鉗位在預定的數值。

3.1 關鍵參數

• 最小擊穿電壓VBR
  當TVS管流過規定的電流時，TVS管兩端的電壓稱為最小擊穿電壓，此時TVS管呈現低阻態。
• 額定反向關斷電壓VWM
  VWM是TVS在正常狀態時可承受的電壓，此電壓應大于或等于被保護電路的正常工作電壓。
• 大峰值脈沖電流IPP
  IPP是TVS在反向狀態工作時，在規定的脈沖條件下，器件允許通過的最大脈沖峰值電流。
• 箝位電壓Vc
  當脈沖峰值電流Ipp流過TVS時，其兩端出現的最大電壓值稱為箝位電壓Vc。Vc和Ipp反映了TVS的浪涌抑制能力。通常把Vc與VBR之比稱為箝位因子(系數)，其值一般在1.2～1.4之間。實際使用時，應使Vc不大于被保護電路的最大允許安全電壓，否則被保護器件將面臨被損壞的可能。

3.2 TVS的分類

3.3 TVS的選型

在一些高速電路設計中，如果TVS選擇不合適，往往會影響信號的質量。那么如何選擇合適的TVS管？關鍵參數又是什么？高速TVS管，比較重要一個參數就是結電容，不同的選型的速率的信號，對結電容的要求不同，詳見下圖：（下圖建議收藏）

• 在設計USB 2.0(480Mbps)電路時，應選擇結電容≤0.6pF的TVS管；
• 在設計USB 3.0(5Gbps)電路時，應選擇結電容≤0.3pF的TVS管。

4 防反接電路設計

防反接電路可以劃分兩種場景進行設計：小電流場景、大電流場景。（劃分的依據2A ，個人經驗）

4.1 小電流使用場景

這種方式利用的是二極管的單向單調性，分析如下：

• 正向導通 ：電源正向時，二極管導通，相當于短路，系統能正常工作。
• 反向截至 ：電源反向時，二極管斷開相當于開路，系統無法正常工作。

4.2 大電流使用場景

大電流可采用PMOS或者NMOS搭建防反接電路。這里我們直接以PMOS為例：

分析 ：

• 正向電源 ：由于體二極管，S極的電壓近似等于D極電壓，R4和R3進行分壓，R3兩點的電壓與Vgs的電壓相等，且|Vgs|＞|Vth|,MOS管導通，系統正常工作。
• 反向電源 ：體二極管截止，|Vgs| = |Vth|，MOS管截止，系統無法正常工作。
  注意 ：使用NMOS同樣可以搭建防反接電路。

5 緩啟動電路

• 不帶使能緩啟動電路

電路的主要組成部分包含了R1、R2、C1、Q1組成，通過簡單元器件就可以使用緩啟動功能。電源的輸出是由PMOS的打開和關閉控制，緩啟動的實質就是讓PMOS管的打開的時間變得緩慢，此處我們采取的措施是在柵極和源極之間增加一個電容C1，使PMOS的導通時間變得緩慢。導通的時間與R1、R2、C1的參數是強相關的。

下面就是有、無緩啟動時，電壓隨時間變化的示意圖：

• 帶使能緩啟動電路

在緩啟動電路中，電阻R1、電阻R2和電容C1構成分壓式RC時間常數電路，，C1并聯在Q1的GS極之間，也就是Vc1＝Vgs。當12V電源剛加到單板時，C1未充電，Vgs＝0，MOS不導通，電源模塊不供電。隨后，12V通過R1，R2向C7充電，當C1的電壓達到Vth時，MOS開始導通，這一階段，完成的是延時上電的作用。