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定的狀態，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在 PCB 走線上時，即使很小的阻抗也能產生明顯的電壓變化;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，我們經常會下意識隨意熱插拔。

電池的等效阻抗都很低，一旦產生浪涌電流，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生損壞，但大多數情況下都是發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，電流會進入芯片內部實現電位平衡，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。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 旁并聯泄放電阻，然而這也會導致泄放電阻與 R5 產生分壓，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，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，在輸入側發生過壓時，芯片將會控制 MOS 管把輸出電壓限制在一個安全數值。

它的功能還包括設置 MOS 管開啟時間、反向保護、過流監測、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，電路生產調試的復雜度也增加，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，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果發生偏差，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

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，根據不同的電路形態，目前有各種形式的防護電路。熱插拔保護的本質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。

審核編輯：湯梓紅