简述电池热插拔的危害及其解决方案
热插拔 (Hot-swap) 是指在电路带电工作的过程中，将功能模块部件等直接插入或拔出。有些新手工程师可能会有经常插拔电路电池的习惯，殊不知在无形之中，这大大增加了仪器充电芯片烧毁的概率。电池的插拔实际上是非常危险的电路动作，如果没有科学的防护电路，极易损害硬件电路。本文将对此问题进行详细解释与讨论，并给出解决方案，帮助大家将电路隐患消除，提高产品功能的可靠性。
“危机四伏”的热插拔
热插拔动作常常会引起剧烈的电流或电压波动，电压波动是由于被插拔的部件在接触电路的瞬间呈连接不稳定的状态，而电流波动是由于被插拔部件的低等效电阻 (ESR) 的电容特性。
对于电压波动，在工程设计上通常可以通过增加储能器件、提高电路电压兼容范围等方式进行弥补；而电流波动的防护在工程设计上却经常被忽略。在低ESR的模块部件进行热插拔时，电路接触瞬间会等效为对地短路，在很多应用中，这个瞬间电流甚至能高达几百安培。
由此可见，热插拔的 “危机四伏” 主要分为浪涌电流和振荡电压两个方面。如前文所述，浪涌电流是一个由于寄生电路参数的存在，从而导致的超大瞬时电流。而振荡电压是当浪涌电流出现在 PCB 走线上时，即使很小的阻抗也能产生明显的电压变化；当走线越长或者越细时，电压幅值也会非常大。
电池热插拔更需格外小心
对待电池的热插拔问题，我们需要更加留意，主要原因如下：
- 电池是一种最常见的热插拔部件，我们经常会下意识随意热插拔。
- 电池的等效阻抗都很低，一旦产生浪涌电流，将会非常剧烈。
以 ADI 的充电芯片电路 LTC4015 举例，在电池接触电路瞬间，电流会自动流经几个低阻器件 (采样电阻、MOS 管，灌入 SYS 负载端的输出电容)，从而让电池的电位与 SYS 电位平衡，路径如下图 (图1) 中的红色箭头所示。另外，电流也会灌入与电池并联的电容中。
瞬时的电流路径上将引起电压振荡，但由于 LTC4015 芯片具有较高的输入输出电压范围，在这个过程中造成的电压波动，本身并不会对电路造成致命影响。然而，还是会有不少工程师在使用此电路时，芯片被无故烧毁，真正损坏 LTC4015 的原因其实是路径上采样电阻 (RSNSB) 两端的瞬时过压。
采样电阻接入芯片内部电路的最高耐压是 0.3V，虽然在设计芯片时，已在此基础上增加了裕量，但瞬时大电流造成的尖峰电压幅值远远超过 0.3V，加上如果长期反复出现瞬时过压的情况，芯片势必会被损坏。对于充电芯片的这种损坏，经常有肉眼可见的烧毁痕迹。芯片的输入端采样电阻、或电池采样电阻处都可能发生损坏，但大多数情况下都是发生在电池采样电阻两端，因为输入端一般都有完善的保护防止过流。
在上图 (图1) 所示的放电路径中，MOS 管的角色使得浪涌电流全部被控制在芯片外部电路流动，这可以降低芯片损坏概率。如果没有这个 MOS 管，电流会进入芯片内部实现电位平衡，从而使芯片损坏的概率更高。所以总体来看，LTC4015 的电池热插拔损坏是偶发的。
防护电池热插拔损害的方法
防护浪涌电流还需要从源头入手，也就是在热插拔处与后端电路之间增加保护。在一些简单的防护电路中，通常使用的是铁氧体磁珠、磁环。它能够显著地抑制浪涌电流，但也会导致振荡电压更加恶化，因为它会在电路中引入电感，造成额外的感应电压。目前更可靠的方法是使用复杂的元器件。在工程设计中，有两类常见的浪涌电流防护电路，分立器件搭建的防护电路和使用专用浪涌防护芯片。
如下图 (图2) 所示，使用分立器件搭建的防护电路，其主要原理是通过 MOS 管延迟开启电池接入电路的过程，R5、C1 的阻容值能够改变开启延迟的时长。齐纳二极管主要是为了防护 MOS 栅极的过压损坏，如果系统接入的电池电压是确定的，D4 即不是必要的器件。
当电池电压不同时，电阻和电容的值也需要进行改变，下图 (图2) 所示的阻容值是比较推荐的。另外需要注意的是，当电池拔出时，C1 中存有的电量需要通过 R5 泄放掉，如果需要 MOS 管更快地关断，则需要在 C1 旁并联泄放电阻，然而这也会导致泄放电阻与 R5 产生分压，破坏电路功能平衡。综合来看，这种分立电路需要比较合理的计算设计参数，才能够保障电池的插、拔动作都防护到位。
使用专用浪涌防护芯片则是如下图 (图3) 所示，为 ADI 的 LTC4380 热插拔控制器芯片，它具有很低的静态电流，它电路中包含一个外置的 MOS 管，芯片将对其栅极电压进行箝位，在输入侧发生过压时，芯片将会控制 MOS 管把输出电压限制在一个安全数值。
它的功能还包括设置 MOS 管开启时间、反向保护、过流监测、输入欠压等。在一些高可靠性的电路中，可以基于 ADI 的这类芯片进行设计。当然，在电池热插拔端口使用这种方式显然成本较高，电路生产调试的复杂度也增加，工程师需要酌情选择。
对于这类电池充电芯片，ADI 也推荐更简便的热插拔 (浪涌电流) 防护方案。如下图 (图4) 所示是 LTC4162 充电芯片的官方开发板电路图，其中粉色框中的电阻、二极管组合电路可以对两处采样电阻端进行过压保护。
当然这种简单的保护方式只是进行被动地防护，它并不能杜绝电池热插拔瞬间的放电现象。该电路的二极管正极方向均朝向浪涌来源方向 (电压输入端和电池端) 以实现有效防护，二极管在电路正常工作时并不会导通，因为二极管的导通电压远远低于与其并联的采样电阻的端电压。
另外，10 欧姆电阻是用于泄放浪涌能量的，芯片的采样端入口是高阻的，因此并不会影响芯片采样的准确性。最后需要注意的是，这种防护电路不能用于 LTC4015 芯片的输入侧，因为 LTC4015 的输入采样端也具备库仑计功能，引入的防护电路会导致库仑计测量结果发生偏差，在此处必须使用前述的两种保护方案。
总结
本文讨论了电池热插拔造成的电路影响，分析了充电芯片的损坏原因，并给出了解决方案供工程师参考。电池热插拔损害是隐蔽且容易被忽视的危险因素，根据不同的电路形态，目前有各种形式的防护电路。热插拔保护的本质是对浪涌电流的抑制，和振铃电压的保护。在电池接入端增加热插拔防护 (或浪涌抑制) 电路，可以有效降低充电芯片的损坏概率，提高电路运行可靠性。如需对接具体产品或了解更多热插拔防护相关技术细节，请点击下方「联系我们」，提交您的需求，我们骏龙科技公司愿意为您提供更详细的技术解答。
参考资料