(唐太宗)尝私幸端门,见新进士缀行而出,喜曰:“天下英雄入吾彀中矣!” - 《唐摭言·述进士》
李世民曾微服私访,视察御史府(考试的地方)时,看到新科进士一个个意气风发、鱼贯而出,便抚掌大笑说:“天下英雄,入吾彀(箭袋)中矣!”
太宗皇帝真长策,赚得英雄尽白头。本来这些考生里面有陈胜、吴广来着,但因为科举制度的存在,这些人皓首穷经、熬到白头,不复有少年之气、热血之心,像猛虎被磨平了爪牙。
而在手机电路设计中,RC snubber电路和科举制度很相似,本质上都是一种稳定器。通过一个消耗能量的通道,悄无生息地化解矛盾。否则底层无处施展才华,易累积出滔滔的不满和怨恨,一发不可收拾。
在手机USB口的VBUS脚上,RC snubber常与TVS二极管协同工作。TVS好比是军队,是应对叛乱的主力,动作干脆利索,但万不得已不会用,一用就必须见血。而RC Snubber像科举制度般,它温柔些,是一种预防性的稳定机制,持续安静地吸收社会矛盾,减轻TVS的压力。
防护背景
在手机的USB口(Type-C、Micro-USB、苹果lightning等)中,VBUS是电源引脚,负责为手机充电或供电。会频繁地进行热插拔(在带电状态下插入和拔出),是个热闹、嘈杂的端口。
但是,你得用线,凡是线缆皆存在寄生电感,充电线也不例外,于是会产生两个问题:
- 当充电线快速插入手机时,由于接触点的弹跳和不稳定的接触,会引发瞬间的电流突变,而寄生电感会抵抗电流的突变,于是产生一个高于正常电压的瞬时电压尖峰,甚至会拉出电弧。
- 充电线的寄生电感和手机VBUS端的电容会形成一个LC谐振电路。在热插拔或负载突变的瞬间,LC电路会被激发而产生振铃,这个振铃幅值可能很高,形成浪涌高压而打坏后级器件。
如下图,苹果的闪电接口通常某个管脚发黑,有电火花烧蚀的痕迹,就是寄生电感拉弧的杰作。其他类型的接口也会有这种问题,只不过苹果闪电接口pin脚露在外面,更容易被抓到现行。

在Type-C口热插拔的过程中,手机端的VBUS通常会出现浪涌,波形实例如下图。

为了有效减小该浪涌过冲,提高系统设计的健壮性,可以考虑在手机Type-C端增加1个RC Snubber电路,辅助TVS进行浪涌吸收。
VBUS RC Snubber电路
如下图,在VBUS引脚附近放置了一个RC snubber电路。核心作用就是阻尼、吸收这些有害的高频振荡和电压尖峰,保护后级的精密器件。

具体来说,有如下两个作用:
- LC振荡的阻尼作用,Snubber电路中的电阻就是为振荡能量提供一个耗散路径,使能量以热量的形式消耗掉,否则振铃会持续很长时间,电压过冲会很大。
- 在热插拔瞬间产生的瞬时高压尖峰,因电容的电压不能突变,其能量会率先被Snubber电路中的电容吸收,即瞬间被充电,从而削平了尖峰的峰值。
由于是科普类型的文章,不详细介绍计算R、C值的方法,只需要定性了解到:
- Snubber的C的容值通常大于端口固有电容,这样在高频瞬态事件发生时,C呈现低阻抗路径,吸收尖峰能量,限制电压的上升速度;
- Snubber的R是阻尼的关键,通常被设计为接近LC电路的特征阻抗,这样便可以实现临界阻尼,最快速地消除振荡,不会引起过冲或过慢的响应。
除了理论上的计算,最关键的是要通过实际测试(用示波器观察振铃)来最终确定R、C,以达到最佳阻尼效果。下面两张波形展示了Snubber电路的效果,可供参考。

总结
现在手机端口通常有TVS,作为主力防护器件,RC snubber只是起到一个辅助保护作用,可以减轻TVS在应对高频瞬态事件时的压力。有的项目为了降低成本,甚至不加RC snubber。
但至少教会我们:最高明的稳定器,从来不靠蛮力,靠的是温柔与智慧。