CN117543962A - +3.3v或+5v电压供电的ic集成电路供电系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了+3.3V或+5V电压供电的IC集成电路供电系统，使用电感L1实现抑制和消除特定频率范围的电磁干扰，使用对地并联大电容C1实现低频滤波，使用极性阻断芯片D1实现供电极性出错时强制阻断对IC集成电路的供电，以低压过压过流阻断芯片D2为核心，使用TVS管V1实现瞬态电压抑制，电容C2实现浪涌抑制，电阻R2和电阻R3实现过压阈值，消除供电负载端IC元件烧毁风险，支持电子设备健康管理。本发明技术全面详尽、架构清晰、结构简单、器件小型轻量、实现低成本、不失一般性，可在+3.3V或+5V电压供电的IC集成电路供电使用中推广，并特别适于在复杂电子设备和有高可靠运行要求的电子设备中采用。
Description
技术领域
本发明涉及电子系统设计领域，具体涉及+3.3V或+5V电压供电的IC集成电路供电系统。
背景技术
在电子系统设计领域，通常按照“系统->分机->模块（PCB）->集成电路（IC）”层级进行划分和设计。系统中的各分机完成相对独立的分机功能、分机中的各模块（PCB）完成相对独立的模块功能，PCB模块通常以集成电路（IC）搭建，IC处于最底层级。
分机内部通常都提供了独立的供电模块，以实现对所有模块（PCB）的统一供电。依照不同分机的布局设计，分机供电到达具体PCB可经分机母板走线或内部独立电缆敷线实现。PCB供电输入后还有可能会进行二次DC-DC（升压/降压/负电压等）电源电路设计，以满足具体IC供电单元的多种需求和规格(如某些FPGA就有可能需要+2.5V/+1.8V/+1.2V等)，对于这部分已经在PCB上进行过二次DC-DC后的供电，其输出通常都能保证IC供电单元的准确性（包括电压、电流、纹波等指标特性）。但对PCB上其它较为常见的以+3.3V或+5V供电工作的IC器件的供电，产品设计者仍习惯于直接使用分机供电模块输出的+3.3V或+5V进行供电，一般仅采取了在+3.3V或+5V供电输入端并联大电容到地进行低频滤波或在电源上串电感进行干扰抑制，最后在具体IC供电单元管脚并联高频小电容进行高频滤波处理。
相较于PCB载板二次DC-DC转换后的供电途径，直接来自于模块（PCB）外部输入的+3.3V或+5V供电电源，在实际生产调试组装和上电运行中过程中，常发现可因多种意外供电导致了负载（IC集成电路元件）的直接烧毁报废。鉴于+3.3V或+5V作为当前IC集成电路的主流供电电压，有必要专门针对其采取更加完善的供电处理技术措施，需同时保证其供电可靠性和供电品质，这对于复杂电子设备和有高可靠运行要求的电子设备尤为重要。
发明内容
针对现有技术中的上述不足，本发明提供的+3.3V或+5V电压供电的IC集成电路供电系统解决了现有IC集成电路供电系统在实际生产调试组装和上电运行中过程中，常因多种意外供电导致了负载（IC集成电路元件）直接烧毁报废的问题，并同时改善其供电品质。
为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：+3.3V或+5V电压供电的IC集成电路供电系统，包括极性阻断单元、低压过压过流阻断单元、模拟电路和数字电路；
所述极性阻断单元的输入端作为所述IC集成电路供电系统的供电输入端；
所述极性阻断单元的输出端与所述低压过压过流阻断单元的输入端连接；
所述低压过压过流阻断单元的输出端分别与所述模拟电路和数字电路连接；
所述模拟电路接模拟地，所述数字电路接数字地，所述模拟地与数字地之间通过电感L2连接；
所述模拟电路和数字电路共同作为IC供电单元。
进一步地：所述极性阻断单元包括型号为IRF7416的极性阻断芯片D1，所述极性阻断芯片D1的1-3号引脚均作为所述极性阻断单元的输出端，所述极性阻断芯片D1的4号引脚与接地电阻R1连接，所述极性阻断芯片D1的5-8号引脚均分别与接地电容C1和电感L1的一端连接，所述电感L1的另一端作为所述极性阻断单元的输入端。
进一步地：所述低压过压过流阻断单元包括型号为AAT4684ITP-T1的低压过压过流阻断芯片D2；
所述低压过压过流阻断芯片D2的IN引脚作为所述低压过压过流阻断单元的输入端，分别与TVS管V1的阴极、接地电容C2和电阻R2的一端连接，所述TVS管V1的阳极接地，所述电阻R2的另一端分别与所述低压过压过流阻断芯片D2的OVP引脚和接地电阻R3连接，所述低压过压过流阻断芯片D2的OUT引脚作为所述低压过压过流阻断单元输出端；所述低压过压过流阻断芯片D2的/FLT引脚与BITE机内测试设备中的MCU数字量输入端口连接，所述低压过压过流阻断芯片D2的GND引脚和/EN引脚均接地。
进一步地：所述模拟电路包括若干模拟IC集成电路元件，每个模拟IC集成电路元件的VCC引脚与所述低压过压过流阻断芯片D2的OUT引脚连接，每个模拟IC集成电路元件的GND引脚接模拟工作地，每个IC集成电路元件的VCC引脚与GND引脚之间通过高频小电容连接。
进一步地：所述数字电路包括若干数字IC集成电路元件，每个数字IC集成电路元件的VCC引脚与所述低压过压过流阻断芯片D2的OUT引脚连接，每个数字IC集成电路元件的GND引脚接数字工作地，每个IC集成电路元件的VCC引脚与GND引脚之间通过高频小电容连接。
进一步地：所述电感L1采用表贴式铁氧体叠层片式磁珠，用于抑制和消除所述+3.3V或+5V电压供电的IC集成电路供电系统中的电磁干扰；所述电感L1的额定电流为IC供电单元最大工作电流值的5倍及以上；
所述电容C1选用具备低等效串联电阻和低等效串联电感的片式磁介大容值电容，用于实现低频滤波，所述电容C1的耐压标称值为工作电压的2倍及以上，其容值为10uF及以上。
进一步地：所述极性阻断芯片D1中的场效应管采用单极型功率P沟道MOS场效应管，用于供电极性出错时强制阻断对IC集成电路的供电。
进一步地：所述低压过压过流阻断芯片D2用于对3V-7V电压范围内的电源开通控制；
所述TVS管V1用于对所述低压过压过流阻断芯片D2的输入前级进行瞬态电压抑制，所述TVS管V1的管钳位电压VC值不低于电路工作的最大电压。
进一步地：所述电容C2为所述低压过压过流阻断芯片D2的浪涌电压抑制器，所述电容C2采用低等效串联电阻和低等效串联电感的小体积片式钽电容或片式磁介电容，其电容耐压标称值为工作电压的2倍及以上。
进一步地：所述电阻R2和电阻R3用于设置所述低压过压过流阻断芯片D2的OVP引脚的过压关断阀值，所述过压关断阀值为负载端所有IC集成电路的供电允许极限值取最小值。
本发明的有益效果为：
1）采用串接磁珠实现抑制和消除特定频率范围的电磁干扰；
2）采用大电容与地并联实现低频滤波；
3）采用极性阻断芯片D1(MOSFET)为核心实现供电极性反接时强制阻断对IC集成电路的供电，消除IC元件烧毁风险；
4）采用低压过压过流阻断芯片D2(MOSFET)为核心实现供电异常低压、异常高压、上电瞬态高压、负载端过流等情况下，强制阻断供电，消除供电回路元件损坏风险；
5）采用高频小电容与地并联实现高频滤波；
6）进行合理的PCB布局以及+3.3V或+5V电源和地设计；
7）提供故障发生时的数字量输出信号，该信号可连接至BITE机内测试设备的MCU数字量输入端口，通过实时监控+3.3V或+5V供电支路中的IC集成电路供电使用情况，便于实现电子设备健康管理。
附图说明
图1为+3.3V或+5V电压供电的IC集成电路供电系统电路原理图。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
如图1所示，在本发明的一个实施例中，提供+3.3V或+5V电压供电的IC集成电路供电系统，包括极性阻断单元、低压过压过流阻断单元、模拟电路和数字电路；
所述极性阻断单元的输入端作为所述IC集成电路供电系统的供电输入端；
所述极性阻断单元的输出端与所述低压过压过流阻断单元的输入端连接；
所述低压过压过流阻断单元的输出端分别与所述模拟电路和数字电路连接；
所述模拟电路接模拟地，所述数字电路接数字地，所述模拟地与数字地之间通过电感L2连接；
所述模拟电路和数字电路共同作为IC供电单元。
在本实施例中，在模拟工作地和数字工作地之间串合适标称阻抗值的表贴式铁氧体叠层片式磁珠L2用以抑制和消除数字电路部分对模拟电路部分的高频串扰，保证低频电路稳定工作。
在本实施例中，所述极性阻断单元包括型号为IRF7416的极性阻断芯片D1，所述极性阻断芯片D1的1-3号引脚均作为所述极性阻断单元的输出端，所述极性阻断芯片D1的4号引脚与接地电阻R1连接，所述极性阻断芯片D1的5-8号引脚均分别与接地电容C1和电感L1的一端连接，所述电感L1的另一端作为所述极性阻断单元的输入端。
在本实施例中，所述低压过压过流阻断单元包括型号为AAT4684ITP-T1的低压过压过流阻断芯片D2；
所述低压过压过流阻断芯片D2的IN引脚作为所述低压过压过流阻断单元的输入端，分别与TVS管V1的阴极、接地电容C2和电阻R2的一端连接，所述TVS管V1的阳极接地，所述电阻R2的另一端分别与所述低压过压过流阻断芯片D2的OVP引脚和接地电阻R3连接，所述低压过压过流阻断芯片D2的OUT引脚作为所述低压过压过流阻断单元输出端；所述低压过压过流阻断芯片D2的/FLT引脚与BITE机内测试设备中的MCU数字量输入端口连接，所述低压过压过流阻断芯片D2的GND引脚和/EN引脚均接地。
在本实施例中，所述数字电路包括若干数字IC集成电路元件，每个数字IC集成电路元件的VCC引脚与所述低压过压过流阻断芯片D2的OUT引脚连接，每个数字IC集成电路元件的GND引脚接数字工作地，每个IC集成电路元件的VCC引脚与GND引脚之间通过高频小电容连接。
通过对+3.3V或+5V工作的每一个IC集成电路元件在供电管脚近端对地并联一高频小电容进行高频滤波，去除高频噪声和杂波信号，优选表贴封装高频磁介小电容，容值常取0.1uF或0.01uF，该高频小电容用以消除电路（特别是数字电路）工作时耦合的高频分量。
在本实施例中，所述电感L1采用表贴式铁氧体叠层片式磁珠，用于抑制和消除所述+3.3V或+5V电压供电的IC集成电路供电系统中的电磁干扰；所述电感L1的额定电流为IC供电单元最大工作电流值的5倍及以上；
采用串接磁珠可实现抑制和消除特定频率范围的电磁干扰，提升+3.3V或+5V供电品质。
所述电容C1选用具备低等效串联电阻和低等效串联电感的片式磁介大容值电容，用于实现低频滤波，所述电容C1的耐压标称值为工作电压的2倍及以上，其容值为10uF及以上；
所述电容C1的选取原则为允许+3.3V或+5V极性反接（因生产组装等相关环节有可能导致供电极性出错）。
在本实施例中，所述极性阻断芯片D1中的场效应管采用单极型功率P沟道MOS场效应管，用于供电极性出错时强制阻断对IC集成电路的供电。
在因+3.3V或+5V供电电压值比较低，对应IC集成电路供电电压容限通常为±5％或±10％。本发明采取使用单极型功率P沟道MOS场效应管(MOSFET)实现+3.3V或+5V供电反接关断，方案选择使用第五代HEXFET（利用了其先进的工艺技术实现通过硅表面的尽可能低的导通电阻，把快的开关速度与我们熟知的HEXFET功率MOSFET的耐用器件设计相结合），连续的源极电流Is (本体二极管)为数A， 脉冲的源极电流Ism (本体二极管)为数十安，固有的导通时间可忽略不计，其本体二极管的正向电压极低。
在本实施例中，所述低压过压过流阻断芯片D2用于对3V-7V电压范围内的电源开通控制，其内部包括检测控制电路和场效应管；
所述低压过压过流阻断芯片D2中的场效应管用于对+3.3V电压供电的IC集成电路供电；当供电电压高于3V时，所述低压过压过流阻断芯片D2中的场效应管导通；
所述检测控制电路用于异常高压状态的强制阻断供电并提供故障发生时的数字量信号输出；
所述TVS管V1用于对所述低压过压过流阻断芯片D2的输入前级进行瞬态电压抑制，所述TVS管V1的管钳位电压VC值不低于电路工作的最大电压。
因+3.3V或+5V供电到达IC集成电路前，通常存在较长的传输导线，具有一定的等效电感。等效电感的存在相当于在理想导线上串联了一个分立电感器，同时由于D2器件的输入端存在的输入电容，接合起来就相当于一个LC振荡电路；而这个电路当输入一个阶跃时在输入电容上最大可出现 2倍于输入的振荡电压。因此需要在所述低压过压过流阻断芯片D2输入前级进行瞬态电压抑制。当 TVS二极管的两极受到反向瞬态高能量冲击时，它能以纳秒级的速度，将其两极间的高阻抗变为低阻抗，吸收高达数千瓦的浪涌功率，使两极间的电压箝位于一个预定值，能有效地保护电子线路中的元件免受各种浪涌脉冲损坏，TVS管具有响应时间快、瞬态功率大、漏电流低、击穿电压偏差小、箝位电压较易控制、体积小等优点；
本发明所述低压过压过流阻断芯片 D2可持续地长时间承受20V耐压范围内的电压，所述TVS管V1虽然无法承受长时间的导通电流，但是却可以在瞬时吸收很高的电压冲击，通过自身的雪崩导通来限制其两端的最高电压，对电压起到钳位的作用，本发明将 TVS管V1置于所述低压过压过流阻断芯片D2之前，可有效地防止瞬时高压对低压过压过流阻断芯片的破坏。
所述TVS管V1的选择需考虑两个因素: 1）Vbr的选取应依据D2的输入端口电压极限值进行选取（避免D2输入损坏）；2）选取的TVS管钳位电压VC值应不低于电路工作的最大电压(要求不低于+3.3V+5％或+3.3V+10％或+5V+5％或+5V+10％)；
一旦所述低压过压过流阻断芯片D2的OVP引脚的检测电压高于设定的特定电压阈值，逻辑电路就会通过栅极关断所述低压过压过流阻断芯片D2的场效应管的沟道；该场效应管有较高的持续性耐压，可保护后端的元器件不会因前端电源输入异常高压而烧毁；当出现负载IC元件击穿供电回路过流情况可立即启动热关断保护强制阻断供电输出；快阻断响应时间（<1us）、低静态工作电流、低导通电阻、大工作电流等特性适合+3.3V或+5V电压工作的IC集成电路供电控制电路使用。
在本实施例中，所述电容C2为所述低压过压过流阻断芯片D2的浪涌电压抑制器，所述电容C2采用低等效串联电阻和低等效串联电感的小体积片式钽电容或片式磁介电容，其电容耐压标称值为工作电压的2倍及以上。
在本实施例中，所述电阻R2和电阻R3用于设置所述低压过压过流阻断芯片D2的OVP引脚的过压关断阀值，所述过压关断阀值为负载端所有IC集成电路的供电允许极限值取最小值。
本发明在开关元件（即所述极性阻断芯片D1）的控制端强制性接入数百KΩ的电阻R1，一方面可满足开通控制需求，同时对MOSFET器件栅极控制端口进行静电保护，避免在实际进行PCBA焊接、清洗、周转等环节极易产生静电累积所导致的MOSFET器件栅极控制端口意外击穿与器件损坏。
当+3.3V或+5V供电出现过压异常情况时，本发明提供一个/FLT故障信号数字量输出，该数字量信号采用低有效的开漏输出形式，使用时需外接100KΩ上拉电阻（最大上拉电压值为6.5V）。在复杂电子设备和有高可靠运行要求的电子设备中，可将该信号连接至BITE机内测试设备中的MCU的数字量输入端口，通过实时监控不同+3.3V或+5V供电支路中的IC集成电路供电使用情况，便于实现电子设备健康管理。
本发明特面向+3.3V或+5V电压供电工作的IC集成电路供电处理技术，适用面广、实用性强。发明所涉内容全面详尽、技术架构清晰、电路结构简单、器件小型化轻量化低成本、易于设计实现。本发明可最终实现向+3.3V或+5V电压供电工作的IC集成电路提供高可靠和高品质的供电电源，特别适于在复杂电子设备和有高可靠运行要求的电子设备上采用，在其它电子产品设计中也可借鉴运用。
Claims (10)
1.+3.3V或+5V电压供电的IC集成电路供电系统，其特征在于，包括极性阻断单元、低压过压过流阻断单元、模拟电路和数字电路；
所述极性阻断单元的输入端作为所述IC集成电路供电系统的供电输入端；
所述极性阻断单元的输出端与所述低压过压过流阻断单元的输入端连接；
所述低压过压过流阻断单元的输出端分别与所述模拟电路和数字电路连接；
所述模拟电路接模拟地，所述数字电路接数字地，所述模拟地与数字地之间通过电感L2连接；
所述模拟电路和数字电路共同作为IC供电单元。
2.根据权利要求1所述的+3.3V或+5V电压供电的IC集成电路供电系统，其特征在于，所述极性阻断单元包括型号为IRF7416的极性阻断芯片D1，所述极性阻断芯片D1的1-3号引脚均作为所述极性阻断单元的输出端，所述极性阻断芯片D1的4号引脚与接地电阻R1连接，所述极性阻断芯片D1的5-8号引脚均分别与接地电容C1和电感L1的一端连接，所述电感L1的另一端作为所述极性阻断单元的输入端。
3.根据权利要求2所述的+3.3V或+5V电压供电的IC集成电路供电系统，其特征在于，所述低压过压过流阻断单元包括型号为AAT4684ITP-T1的低压过压过流阻断芯片D2；
所述低压过压过流阻断芯片D2的IN引脚作为所述低压过压过流阻断单元的输入端，分别与TVS管V1的阴极、接地电容C2和电阻R2的一端连接，所述TVS管V1的阳极接地，所述电阻R2的另一端分别与所述低压过压过流阻断芯片D2的OVP引脚和接地电阻R3连接，所述低压过压过流阻断芯片D2的OUT引脚作为所述低压过压过流阻断单元输出端；所述低压过压过流阻断芯片D2的/FLT引脚与BITE机内测试设备中的MCU数字量输入端口连接，所述低压过压过流阻断芯片D2的GND引脚和/EN引脚均接地。
4.根据权利要求3所述的+3.3V或+5V电压供电的IC集成电路供电系统，其特征在于，所述模拟电路包括若干模拟IC集成电路元件，每个模拟IC集成电路元件的VCC引脚与所述低压过压过流阻断芯片D2的OUT引脚连接，每个模拟IC集成电路元件的GND引脚接模拟工作地，每个IC集成电路元件的VCC引脚与GND引脚之间通过高频小电容连接。
5.根据权利要求3所述的+3.3V或+5V电压供电的IC集成电路供电系统，其特征在于，所述数字电路包括若干数字IC集成电路元件，每个数字IC集成电路元件的VCC引脚与所述低压过压过流阻断芯片D2的OUT引脚连接，每个数字IC集成电路元件的GND引脚接数字工作地，每个IC集成电路元件的VCC引脚与GND引脚之间通过高频小电容连接。
6.根据权利要求2所述的+3.3V或+5V电压供电的IC集成电路供电系统，其特征在于，所述电感L1采用表贴式铁氧体叠层片式磁珠，用于抑制和消除所述+3.3V或+5V电压供电的IC集成电路供电系统中的电磁干扰；所述电感L1的额定电流为IC供电单元最大工作电流值的5倍及以上；
所述电容C1选用具备低等效串联电阻和低等效串联电感的片式磁介大容值电容，用于实现低频滤波，所述电容C1的耐压标称值为工作电压的2倍及以上，其容值为10uF及以上。
7.根据权利要求2所述的+3.3V或+5V电压供电的IC集成电路供电系统，其特征在于，所述极性阻断芯片D1中的场效应管采用单极型功率P沟道MOS场效应管，用于供电极性出错时强制阻断对IC集成电路的供电。
8.根据权利要求3所述的+3.3V或+5V电压供电的IC集成电路供电系统，其特征在于，所述低压过压过流阻断芯片D2用于对3V-7V电压范围内的电源开通控制；
所述TVS管V1用于对所述低压过压过流阻断芯片D2的输入前级进行瞬态电压抑制，所述TVS管V1的管钳位电压VC值不低于电路工作的最大电压。
9.根据权利要求3所述的+3.3V或+5V电压供电的IC集成电路供电系统，其特征在于，所述电容C2为所述低压过压过流阻断芯片D2的浪涌电压抑制器，所述电容C2采用低等效串联电阻和低等效串联电感的小体积片式钽电容或片式磁介电容，其电容耐压标称值为工作电压的2倍及以上。
10.根据权利要求3所述的+3.3V或+5V电压供电的IC集成电路供电系统，其特征在于，所述电阻R2和电阻R3用于设置所述低压过压过流阻断芯片D2的OVP引脚的过压关断阀值，所述过压关断阀值为负载端所有IC集成电路的供电允许极限值取最小值。
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