硬件开发基础知识（三）：电流倒灌、热拔插、上电时序问题及其解决方法

最近在实验室工作呢，结果两个学弟一阵惊呼，说闻到糊味了。
这个时候我心里一惊：忙问道

结果他们说是在调STM32单片机，然后一边烧程序，一边又把板子的电源线接到插排上，结果就把电脑主板烧了。我拿起电源线一看，12V，完了，学弟的主板怕是要换了。

这种事情之前也遇到过，有做Buck电路的同学，以单片机作为PWM输出，在烧好程序后并没有拔掉接线，直接打开了Buck电路的开关，结果电脑也烧了。

这其实就是由于电压差引起的倒灌现象了。

不知道大家在生活中有没有体会：有的时候，临近马桶的洗手池水龙头，会把马桶里面的污水抽出来，其实这就和今天要说的电流倒灌是一个原理：

实际上，我们的水网，要想正常工作，那就是出水站的水压比我们用户水网高，这也是水站一般都建造城市附近高地的原因。
当停水的时候，马桶里原本储存的水的水压就比外面（空的管子）大，这样水就倒灌了。
这里我们可以看出，水（电流）的倒灌需要两个因素：

1.回流路径
2.水（电）压差

电流倒灌

为了彻底弄清楚，我们要知道现行的集成电路的接口电路模型，也就是马桶、水站、倒灌管道分别对应着电路里的何种组分。

D1是CMOS电路中防静电的常见二极管，也有输入限幅的作用
D2是晶体管的寄生二极管，有一定的放电保护功能
D3用于保护CMOS电路放电时的干扰，一般的双极性晶体管也具有这个寄生二极管
D4是晶体管的集电极（双极性）或漏极（场效应管）的寄生电容，有放电作用
这些等效或者原本就存在的二极管首先就为电流倒灌提供了回路，这就相当于马桶倒灌事件里的水管。

在一个具有先后上电顺序的情况下（或者可以看作右侧突然停电，或者拔插动作），左侧的电压如果足够大，那么就会通过二极管向右侧的VCC冲的充电，其实也就是去耦电容的充电，这样就会使二极管急速过载损坏，电容本身也可能损坏，瞬时的大电流甚至也会直接击毁元件本身。最好的情况也就是使得逻辑器件工作不正常。

解决方法有如下几种：

我们可以看到，分别是加限流电阻（但无法防止电压的建立）、接上拉（会降低噪声容限）和在前级电路的电源加二极管（但压降会使供电电压下降）。
最有效的办法是使用双极性晶体管（不存在寄生电容D1）作为接口输入。
当然，在FPGA这种有着多种参考电平的系统设计的时候，考虑上电顺序也是一种解决办法。

热拔插问题
和刚刚叙述的原理一样，在已经通电的系统上进行拔插，无疑就会产生一个很大的拉电流，导致系统中组件的损坏。其实也就是防止大容性负载时的浪涌电流。

当然我们小时候也用过类似的东西，就是保险丝，当电流过大保险丝熔断断开电路，但是在集成电路中我们肯定不希望这样，第一我们希望最大限度地保护系统，第二我们希望保护电路在动作后能够自恢复，电路继续工作。

如图所示是常用的防浪涌电路：

在C1放电时，mos管维持开路，不影响负载。C1充电时，Q1则会缓慢打开，从而不产生一个浪涌电压，其结果如下：

可见一个突然的电压差，并没有导致一个瞬时值很大的电流峰值出现。

今天就说到这里。

谢谢朋友们！