作者：王斌 公司：駿龍科技

工程師小陳：“求助求助！我們儀器的充電芯片為什么偶爾會無緣無故燒壞呢…”

FAE小駿：“是不是您輸入電壓不小心超了？”

工程師小陳：“沒有啊，充電電路我們用得很小心！用不上電池的時候，還會把電池拔掉呢！”

FAE小駿：“等等…您壞掉電路的儀器就是經(jīng)常插拔電池的那些吧？原因找到了，看來您需要給電路加點料…”

以上工程師小陳遇到的問題，可能已經(jīng)是你的困擾，也可能還是你的隱患。熱插拔（Hot-swap)是指在電路帶電工作的過程中，將功能模塊部件等直接插入或拔出。有些新手工程師可能會有經(jīng)常插拔電路電池的習慣，殊不知在無形之中，這大大增加了儀器充電芯片燒毀的概率。電池的插拔實際上是非常危險的電路動作，如果沒有科學的防護電路，極易損害硬件電路。本文將對此問題進行詳細解釋與討論，并給出解決方案，幫助大家將電路隱患消除，提高產(chǎn)品功能的可靠性。

“危機四伏”的熱插拔

熱插拔動作常常會引起劇烈的電流或電壓波動，電壓波動是由于被插拔的部件在接觸電路的瞬間呈連接不穩(wěn)定的狀態(tài)，而電流波動是由于被插拔部件的低等效電阻（ESR）的電容特性。

對于電壓波動，在工程設計上通常可以通過增加儲能器件、提高電路電壓兼容范圍等方式進行彌補；而電流波動的防護在工程設計上卻經(jīng)常被忽略。在低ESR的模塊部件進行熱插拔時，電路接觸瞬間會等效為對地短路，在很多應用中，這個瞬間電流甚至能高達幾百安培。

由此可見，熱插拔的 “危機四伏” 主要分為浪涌電流和振蕩電壓兩個方面。如前文所述，浪涌電流是一個由于寄生電路參數(shù)的存在，從而導致的超大瞬時電流。而振蕩電壓是當浪涌電流出現(xiàn)在PCB走線上時，即使很小的阻抗也能產(chǎn)生明顯的電壓變化；當走線越長或者越細時，電壓幅值也會非常大。

電池熱插拔更需格外小心

對待電池的熱插拔問題，我們需要更加留意，主要原因如下：

電池是一種最常見的熱插拔部件，我們經(jīng)常會下意識隨意熱插拔。

電池的等效阻抗都很低，一旦產(chǎn)生浪涌電流，將會非常劇烈。

以ADI的充電芯片電路LTC4015舉例，在電池接觸電路瞬間，電流會自動流經(jīng)幾個低阻器件（采樣電阻、MOS管，灌入SYS負載端的輸出電容），從而讓電池的電位與SYS電位平衡，路徑如下圖（圖1）中的紅色箭頭所示。另外，電流也會灌入與電池并聯(lián)的電容中。

圖1 電池浪涌電流在LTC4015電路中的路徑

瞬時的電流路徑上將引起電壓振蕩，但由于LTC4015芯片具有較高的輸入輸出電壓范圍，在這個過程中造成的電壓波動，本身并不會對電路造成致命影響。然而，還是會有不少工程師在使用此電路時，芯片被無故燒毀，真正損壞LTC4015的原因其實是路徑上采樣電阻（RSNSB）兩端的瞬時過壓。

采樣電阻接入芯片內(nèi)部電路的最高耐壓是0.3V，雖然在設計芯片時，已在此基礎上增加了裕量，但瞬時大電流造成的尖峰電壓幅值遠遠超過0.3V，加上如果長期反復出現(xiàn)瞬時過壓的情況，芯片勢必會被損壞。對于充電芯片的這種損壞，經(jīng)常有肉眼可見的燒毀痕跡。芯片的輸入端采樣電阻、或電池采樣電阻處都可能發(fā)生損壞，但大多數(shù)情況下都是發(fā)生在電池采樣電阻兩端，因為輸入端一般都有完善的保護防止過流。

在上圖（圖1）所示的放電路徑中，MOS管的角色使得浪涌電流全部被控制在芯片外部電路流動，這可以降低芯片損壞概率。如果沒有這個MOS管，電流會進入芯片內(nèi)部實現(xiàn)電位平衡，從而使芯片損壞的概率更高。所以總體來看，LTC4015的電池熱插拔損壞是偶發(fā)的。

防護電池熱插拔損害的方法

防護浪涌電流還需要從源頭入手，也就是在熱插拔處與后端電路之間增加保護。在一些簡單的防護電路中，通常使用的是鐵氧體磁珠、磁環(huán)。它能夠顯著地抑制浪涌電流，但也會導致振蕩電壓更加惡化，因為它會在電路中引入電感，造成額外的感應電壓。目前更可靠的方法是使用復雜的元器件。在工程設計中，有兩類常見的浪涌電流防護電路，分立器件搭建的防護電路和使用專用浪涌防護芯片。

如下圖（圖2）所示，使用分立器件搭建的防護電路，其主要原理是通過MOS管延遲開啟電池接入電路的過程，R5、C1的阻容值能夠改變開啟延遲的時長。齊納二極管主要是為了防護MOS柵極的過壓損壞，如果系統(tǒng)接入的電池電壓是確定的，D4即不是必要的器件。

當電池電壓不同時，電阻和電容的值也需要進行改變，下圖（圖2）所示的阻容值是比較推薦的。另外需要注意的是，當電池拔出時，C1中存有的電量需要通過R5泄放掉，如果需要MOS管更快地關斷，則需要在C1旁并聯(lián)泄放電阻，然而這也會導致泄放電阻與R5產(chǎn)生分壓，破壞電路功能平衡。綜合來看，這種分立電路需要比較合理的計算設計參數(shù)，才能夠保障電池的插、拔動作都防護到位。

圖2 分立器件搭建的電池浪涌防護電路

使用專用浪涌防護芯片則是如下圖（圖3）所示，為ADI的LTC4380熱插拔控制器芯片，它具有很低的靜態(tài)電流，它電路中包含一個外置的MOS管，芯片將對其柵極電壓進行箝位，在輸入側(cè)發(fā)生過壓時，芯片將會控制MOS管把輸出電壓限制在一個安全數(shù)值。

它的功能還包括設置MOS管開啟時間、反向保護、過流監(jiān)測、輸入欠壓等。在一些高可靠性的電路中，可以基于ADI的這類芯片進行設計。當然，在電池熱插拔端口使用這種方式顯然成本較高，電路生產(chǎn)調(diào)試的復雜度也增加，工程師需要酌情選擇。 

圖3 LTC4380熱插拔控制器芯片

對于這類電池充電芯片，ADI也推薦更簡便的熱插拔（浪涌電流）防護方案。如下圖（圖4）所示是LTC4162充電芯片的官方開發(fā)板電路圖，其中粉色框中的電阻、二極管組合電路可以對兩處采樣電阻端進行過壓保護。

當然這種簡單的保護方式只是進行被動地防護，它并不能杜絕電池熱插拔瞬間的放電現(xiàn)象。該電路的二極管正極方向均朝向浪涌來源方向（電壓輸入端和電池端）以實現(xiàn)有效防護，二極管在電路正常工作時并不會導通，因為二極管的導通電壓遠遠低于與其并聯(lián)的采樣電阻的端電壓。

另外，10歐姆電阻是用于泄放浪涌能量的，芯片的采樣端入口是高阻的，因此并不會影響芯片采樣的準確性。最后需要注意的是，這種防護電路不能用于LTC4015芯片的輸入側(cè)，因為LTC4015的輸入采樣端也具備庫侖計功能，引入的防護電路會導致庫侖計測量結(jié)果發(fā)生偏差，在此處必須使用前述的兩種保護方案。 

圖4 LTC4162的熱插拔防護方案

總結(jié)

本文討論了電池熱插拔造成的電路影響，分析了充電芯片的損壞原因，并給出了解決方案供工程師參考。電池熱插拔損害是隱蔽且容易被忽視的危險因素，根據(jù)不同的電路形態(tài)，目前有各種形式的防護電路。熱插拔保護的本質(zhì)是對浪涌電流的抑制，和振鈴電壓的保護。在電池接入端增加熱插拔防護（或浪涌抑制）電路，可以有效降低充電芯片的損壞概率，提高電路運行可靠性。如需對接具體產(chǎn)品或了解更多熱插拔防護相關技術細節(jié)，請與駿龍科技當?shù)氐霓k事處聯(lián)系，或發(fā)送郵件至inquiry.cytech@macnica.com，駿龍科技公司愿意為您提供更詳細的技術解答。

參考資料

ADI LTC4015 產(chǎn)品頁面

ADI LTC4380 產(chǎn)品頁面

ADI LTC4162 產(chǎn)品頁面