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作為一名摸爬滾打多年的硬件老鳥(niǎo),今天不得不掛一個(gè)典型案例。 上午學(xué)弟拿來(lái)一個(gè)WL01渦流傳感器模塊要退貨,說(shuō)是壞的。一上電,5V電壓下電流直接飆到0.4A,發(fā)熱嚴(yán)重,芯片燙得能煎雞蛋!
還沒(méi)開(kāi)始測(cè)渦流,板子先成了“暖手寶”。是模塊質(zhì)量太差?還是玄學(xué)問(wèn)題? 我一把攔住準(zhǔn)備退貨的學(xué)弟:“別急著甩鍋,先查查你怎么用的。”
這一查,還真查出了教科書(shū)級(jí)別的錯(cuò)誤操作。 我看了一眼他的連接方式,發(fā)現(xiàn)幾個(gè)致命疑點(diǎn):
供電分離:模塊由外部電源供電,輸出端接STM32單片機(jī)的PA0引腳。
引腳懸空電壓:PA0口雖然設(shè)為模擬輸入,但在懸空狀態(tài)下竟然存在1.2V左右的電壓。
致命的時(shí)序:這才是最騷的操作——電源還沒(méi)給模塊上電,輸出端就已經(jīng)插在了帶電的STM32引腳上了。
很多人覺(jué)得:“這有啥?不就是沒(méi)供電嗎,沒(méi)電不就是斷路嗎?” ?大錯(cuò)特錯(cuò)!在模擬電路的世界里,沒(méi)上電 ≠ 斷路。
為了講清楚這個(gè)原理,我們必須把芯片“剖”開(kāi)看。 大家看下面這張圖,這是去年我自己設(shè)計(jì)的運(yùn)放(與本次事故運(yùn)放結(jié)構(gòu)相似)。請(qǐng)注意看輸出級(jí),它是推挽輸出的三極管結(jié)構(gòu)。為了保護(hù)電路,外部通常會(huì)串聯(lián)二極管到正負(fù)電源。
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圖片來(lái)源:實(shí)在太懶不想取名
看懂了嗎?當(dāng)模塊還沒(méi)上電(VCC=0V)時(shí),芯片內(nèi)部究竟發(fā)生了什么? 我們拿萬(wàn)用表實(shí)測(cè)一下。當(dāng)學(xué)生電源接入但不開(kāi)啟時(shí),用萬(wàn)用表通斷檔測(cè)量,你會(huì)發(fā)現(xiàn)內(nèi)部竟然是導(dǎo)通的!
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譯中...
再看讀數(shù):0.713V。
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這熟悉的壓降,毫無(wú)疑問(wèn),就是二極管導(dǎo)通了。這意味著,當(dāng)你的模塊沒(méi)上電時(shí),內(nèi)部結(jié)構(gòu)等效于下面這張圖:
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圖片來(lái)源:實(shí)在太懶不想取名
這時(shí)候,災(zāi)難發(fā)生了。 如果你將輸出端接入單片機(jī),而單片機(jī)IO口上存在高于導(dǎo)通壓降的電壓(比如那1.2V),就會(huì)導(dǎo)致二極管導(dǎo)通! 此時(shí),外部電流順著STM32的引腳,倒灌進(jìn)運(yùn)放的輸出端。看下仿真結(jié)果,電流高達(dá)314mA!。
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圖片來(lái)源:實(shí)在太懶不想取名
這0.4A的電流根本不是在工作,而是在瘋狂加熱內(nèi)部結(jié)構(gòu)。如果不先供電再接信號(hào),芯片分分鐘就會(huì)燒毀。
問(wèn)題找到了,怎么解決? 靠“規(guī)范操作”?告訴用戶“必須先開(kāi)電源再接線”? 不,好的硬件設(shè)計(jì)必須考慮容錯(cuò)性。我們可以在運(yùn)放的輸入和輸出端添加電阻。
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圖片來(lái)源:實(shí)在太懶不想取名
加這個(gè)電阻(例如跟隨器用相同電阻,放大器用并聯(lián)值)有兩個(gè)巨大好處:
- 限流保護(hù):有效抑制輸入電流,防止倒灌燒毀芯片。
- 抗干擾:防止外部電壓亂竄或靜電擊穿。
把原理講透后,我批評(píng)了學(xué)弟一通。 無(wú)論是用模塊還是畫(huà)芯片,出現(xiàn)問(wèn)題并不可怕。可怕的是出了問(wèn)題就逃避,就把鍋甩給模塊。
從自身出發(fā),對(duì)問(wèn)題尋根問(wèn)底,才能避免下一次炸機(jī)。這才是硬件工程師正確的成長(zhǎng)道路。
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