通過USB連接器保護電源和充電器件
如何通過USB連接器保護電源和充電器件的安全
如今大多數(shu)電子設備(bei)都有USB連(lian)接器，它(ta)們通過(guo)USB實現(xian)數(shu)據交換和/或對便攜(xie)設備(bei)的電池充電。雖然USB這(zhe)種通信(xin)協議已經相當普及，但當目標應用需要通過(guo)USB連(lian)接為設備(bei)供電時，必須注(zhu)意一(yi)些(xie)安全防(fang)范措施。
電氣特性和防護措施
通過USB連接的下(xia)游系統可以由多種類型的主(zhu)機來供(gong)電。
在連(lian)接個(ge)人計算機(PC)等標準USB源(yuan)(yuan)設(she)備時，連(lian)接器上將包(bao)含Vbus電(dian)源(yuan)(yuan)端(duan)子(zi)和數據端(duan)子(zi)(D+和D-)。Vbus電(dian)壓(ya)值(zhi)由(you)USB規范明確定(ding)義(yi)：額定(ding)電(dian)壓(ya)為5V，最(zui)高可達5.25V。事實上，較長(chang)的(de)(de)線纜會因串連(lian)電(dian)感產生(sheng)振(zhen)鈴現象。這個(ge)最(zui)大振(zhen)鈴紋波(bo)電(dian)壓(ya)取決于移動設(she)備的(de)(de)輸入(ru)電(dian)容和寄(ji)生(sheng)電(dian)感。售后非(fei)原配件往往具有較低的(de)(de)性能，電(dian)纜也會有較高的(de)(de)寄(ji)生(sheng)參數，這些因素對連(lian)接的(de)(de)外設(she)可能造成潛在危害。
通常Vbus引(yin)腳連(lian)(lian)接(jie)至(zhi)收發器的電(dian)源(yuan)(yuan)輸入(ru)(ru)引(yin)腳(有時會通過最大(da)額定(ding)電(dian)壓為(wei)6V的低壓降穩壓器進行連(lian)(lian)接(jie))，在Vbus電(dian)源(yuan)(yuan)用(yong)于對鋰離子電(dian)池充電(dian)時(大(da)多數(shu)情況下最大(da)額定(ding)電(dian)壓為(wei)7V或10V)也可以連(lian)(lian)接(jie)至(zhi)充電(dian)器的輸入(ru)(ru)引(yin)腳。
但用戶也可(ke)以(yi)連接外設為內置鋰離子電(dian)池充(chong)電(dian),然(ran)后使(shi)用市(shi)場上出售(shou)的墻適配(pei)器。在這個案例中，僅有Vbus引腳和GND被連接，而D+和D-被短(duan)路。
根據這種適配器的質量和復雜程度，其輸(shu)出電壓可能發生(sheng)遠遠超過制造(zao)目前小型便攜(xie)式產品所需敏感電子元件最(zui)大額(e)定值的輸(shu)出瞬態(tai)現(xian)象。
對(dui)一些(xie)交流-直流電(dian)源(yuan)的基準測試顯示出(chu)不(bu)良(liang)的線路(lu)穩壓性能(neng)，而在存在光耦反饋(開關充電(dian)器)損(sun)耗的情況(kuang)下(xia)更糟糕，輸出(chu)電(dian)壓可(ke)能(neng)升高至20V。
通過(guo)(guo)在設備前面設計過(guo)(guo)壓保(bao)護(OVP)器(qi)件，浪涌(yong)效(xiao)應和主(zhu)機不盡責(ze)現象可以被消除(chu)。
如何設計
USB電(dian)流能(neng)力(li)在(zai)正常模式(shi)下是100mA(未(wei)配(pei)置模式(shi))，而(er)在(zai)配(pei)置模式(shi)下可達500mA。為了(le)節省功率，在(zai)沒有數據流量時(shi)USB將進入暫停模式(shi)。當器(qi)件處在(zai)暫停模式(shi)，而(er)且又是總線供電(dian)的話，器(qi)件將不(bu)(bu)能(neng)從總線抽取超過500μA的電(dian)流。一(yi)個(ge)主機能(neng)夠(gou)發出恢(hui)復(fu)指令(ling)或遠程喚醒指令(ling)來激活另一(yi)個(ge)待(dai)機狀態的主機。上述要點表明OVP電(dian)路需要滿足不(bu)(bu)同指標要求，如(ru)電(dian)流能(neng)力(li)、散熱、欠(qian)壓和過壓保護及靜態電(dian)流消耗。
當(dang)處(chu)在暫停模(mo)式時(shi)，與Vbus線路串連的OVP器(qi)(qi)件(jian)將呈現最低的電流(liu)消(xiao)耗，并由收發器(qi)(qi)啟動序列喚醒(xing)過(guo)程(圖(tu)2)。
為了通過(guo)PMOS旁(pang)路元(yuan)件(jian)消(xiao)除任何類型的(de)寄生耦合(he)電壓，必(bi)須在盡可能靠(kao)近OVP器件(jian)的(de)地方(fang)安排一些小型輸入和輸出電容(圖(tu)3)。
輸(shu)出(chu)電容已(yi)被移除。這(zhe)樣，當OVP器件(jian)輸(shu)入端出(chu)現(xian)快速輸(shu)入瞬態現(xian)象時，旁路元件(jian)將保持開路。這(zhe)時可(ke)以(yi)在輸(shu)出(chu)端觀察(cha)到過沖(chong)，這(zhe)個過沖(chong)可(ke)能會損壞連接至OVP輸(shu)出(chu)端的電子元器件(jian)。為了解(jie)決這(zhe)個問題，必(bi)須(xu)在輸(shu)出(chu)引腳上連接一個輸(shu)出(chu)電容，并盡(jin)量靠近OVP器件(jian)擺放。
由于源極(ji)和漏極(ji)之(zhi)間存在(zai)PMOS寄生電(dian)(dian)(dian)容，在(zai)輸入脈(mo)沖期(qi)(qi)間正電(dian)(dian)(dian)壓電(dian)(dian)(dian)平將(jiang)被(bei)傳遞，從而在(zai)PMOS驅(qu)動器(qi)喚醒期(qi)(qi)間維持一個(ge)(ge)比(bi)門電(dian)(dian)(dian)位更低的電(dian)(dian)(dian)壓(電(dian)(dian)(dian)容填(tian)充(chong))。1個(ge)(ge)1μF的陶瓷電(dian)(dian)(dian)容足以解決這個(ge)(ge)問題。見圖(tu)3中的案例1。
另(ling)一個(ge)要點是過壓(ya)(ya)(ya)閥(fa)值(zhi)的(de)定義。過壓(ya)(ya)(ya)鎖定(OVLO)和欠壓(ya)(ya)(ya)鎖定(UVLO)閥(fa)值(zhi)由發生欠壓(ya)(ya)(ya)或(huo)過壓(ya)(ya)(ya)事件時(shi)切斷旁路(lu)元件的(de)內(nei)部電(dian)(dian)(dian)容所確定。OVLO電(dian)(dian)(dian)平必(bi)須高于(yu)Vbus最大(da)(da)工作輸(shu)出電(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)(ya)(5.25V)加上比較(jiao)器(qi)的(de)滯后電(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)(ya)。同樣(yang)，UVLO參數(shu)的(de)最大(da)(da)值(zhi)必(bi)須低于(yu)系(xi)統中(zhong)(zhong)第一個(ge)元件的(de)最大(da)(da)額定電(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)(ya)。通常OVLO的(de)中(zhong)(zhong)心位于(yu)5.675V，能夠有(you)效保護下游系(xi)統，使其承受6V的(de)電(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)(ya)，而Vusb紋波電(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)(ya)可達5.25V。此前的(de)文章(參考資(zi)料1)中(zhong)(zhong)提(ti)(ti)供了更(geng)詳細的(de)資(zi)料，也(ye)提(ti)(ti)供了與墻適配器(qi)電(dian)(dian)(dian)源兼容的(de)OVLO和UVLO參數(shu)值(zhi)。
在設計(ji)OVP部分時，鑒于驅動關鍵電流的內(nei)部MOSFET的原因，不應(ying)忽視散熱問(wen)題。大家已(yi)經(jing)明白為(wei)什么建議(yi)這(zhe)類保護(hu)使用(yong)PMOS(低電流消耗)，而且由于PFet比NFet擁有更高的導(dao)通(tong)阻(zu)抗(Rdson)，必須優化(hua)熱傳(chuan)遞，以(yi)避免(mian)熱能損壞。根據(ju)應(ying)用(yong)所需(xu)的功(gong)率，建議(yi)采用(yong)具有裸露焊盤的封裝(如NCP360 μDFN)。器(qi)件數據(ju)手冊中(zhong)提供(gong)了(le)RθJA圖表(biao)，也可以(yi)聯系安森美半(ban)導(dao)體(ti)銷(xiao)售(shou)代表(biao)了(le)解進一(yi)步信(xin)息。如今大多(duo)數電子(zi)設備都(dou)有USB連接(jie)器(qi)，它們通(tong)過USB實現(xian)數據(ju)交換和/或對便(bian)攜設備的電池(chi)充電。雖然USB這(zhe)種通(tong)信(xin)協(xie)議(yi)已(yi)經(jing)相當(dang)普及，但當(dang)目標應(ying)用(yong)需(xu)要(yao)通(tong)過USB連接(jie)為(wei)設備供(gong)電時，必須注意(yi)一(yi)些安全防范措施。
電氣特性和防護措施
通過(guo)USB連接的下(xia)游系統可以由多種類(lei)型(xing)的主機(ji)來供電。
在(zai)連(lian)(lian)接個人計算機(PC)等(deng)標準USB源設(she)備時，連(lian)(lian)接器上將(jiang)包含Vbus電(dian)源端子和(he)數據端子(D+和(he)D-)。Vbus電(dian)壓值由USB規范明確定(ding)義：額定(ding)電(dian)壓為(wei)5V，最高(gao)可(ke)達(da)5.25V。事實上，較(jiao)長的(de)(de)線纜會(hui)因串連(lian)(lian)電(dian)感產生振(zhen)鈴現象。這個最大振(zhen)鈴紋波(bo)電(dian)壓取決于移動設(she)備的(de)(de)輸入電(dian)容和(he)寄生電(dian)感。售后(hou)非原配件往往具有較(jiao)低的(de)(de)性能，電(dian)纜也會(hui)有較(jiao)高(gao)的(de)(de)寄生參數，這些因素(su)對連(lian)(lian)接的(de)(de)外設(she)可(ke)能造成潛在(zai)危害。
通常Vbus引腳連接至收發器的電源輸入引腳(有時會通過最大額定電壓為6V的低壓降穩壓器進行連接)，在Vbus電源用于對鋰離子電池充電時(大多數情況下最大額定電壓為7V或10V)也可以連接至充電器的輸入引腳。
但用(yong)戶(hu)也(ye)可以連(lian)接外設為(wei)內置鋰離子電(dian)池充電(dian)(如(ru)圖1的(de)墻(qiang)適(shi)配器(qi)部分)，然后使用(yong)市場上出售的(de)墻(qiang)適(shi)配器(qi)。在這(zhe)個案例(li)中，僅有Vbus引腳和(he)GND被(bei)(bei)連(lian)接，而D+和(he)D-被(bei)(bei)短路。
根據這種適配(pei)器的質量和復(fu)雜程度，其輸(shu)出電壓可(ke)能發生(sheng)遠遠超過制造目前小型便(bian)攜式產(chan)品所需敏感電子元件最大額定值的輸(shu)出瞬(shun)態現象。
對一些交流-直流電(dian)(dian)源的基(ji)準(zhun)測試顯示(shi)出(chu)不良的線路穩壓性能，而在存在光耦反饋(開關充電(dian)(dian)器)損耗的情況下更糟糕，輸(shu)出(chu)電(dian)(dian)壓可能升(sheng)高至20V。
通(tong)過在(zai)設備前面設計過壓(ya)保護(OVP)器件(jian)，浪涌效應和主(zhu)機不盡(jin)責現象可(ke)以被消(xiao)除。
如何設計
USB電(dian)流(liu)(liu)(liu)能(neng)力(li)(li)在(zai)(zai)正常模(mo)(mo)式下(xia)是100mA(未配置模(mo)(mo)式)，而(er)(er)在(zai)(zai)配置模(mo)(mo)式下(xia)可達500mA。為(wei)了(le)節(jie)省功率，在(zai)(zai)沒有數據流(liu)(liu)(liu)量時(shi)USB將(jiang)進入暫(zan)停(ting)模(mo)(mo)式。當器件(jian)處在(zai)(zai)暫(zan)停(ting)模(mo)(mo)式，而(er)(er)且又是總(zong)線供電(dian)的話，器件(jian)將(jiang)不能(neng)從總(zong)線抽取(qu)超(chao)過500μA的電(dian)流(liu)(liu)(liu)。一個主機能(neng)夠發(fa)出恢復指令或遠程喚醒指令來激(ji)活(huo)另一個待機狀態的主機。上述要點表明OVP電(dian)路需要滿足不同指標要求，如電(dian)流(liu)(liu)(liu)能(neng)力(li)(li)、散熱、欠(qian)壓和過壓保護及靜態電(dian)流(liu)(liu)(liu)消耗。
當(dang)處在暫停(ting)模式時，與Vbus線路串連的OVP器件將(jiang)呈(cheng)現最低的電(dian)流消耗，并(bing)由(you)收(shou)發器啟動序列喚(huan)醒過程(cheng)
采用(yong)的(de)(de)是PMOS驅動器(qi)，因此電(dian)流消耗(hao)極(ji)低。為了通過PMOS旁路元件消除任(ren)何類型(xing)的(de)(de)寄生耦合(he)電(dian)壓，必須(xu)在盡可能靠近OVP器(qi)件的(de)(de)地方安排一些小型(xing)輸入和(he)輸出電(dian)容(圖3)。
當(dang)OVP器(qi)件(jian)輸(shu)(shu)入(ru)端出(chu)(chu)現(xian)快速(su)輸(shu)(shu)入(ru)瞬(shun)態(tai)現(xian)象時，旁(pang)路(lu)元件(jian)將保持(chi)開路(lu)。這(zhe)時可以在輸(shu)(shu)出(chu)(chu)端觀察到過沖，這(zhe)個過沖可能會(hui)損壞連接至(zhi)OVP輸(shu)(shu)出(chu)(chu)端的電(dian)子元器(qi)件(jian)。為了解(jie)決這(zhe)個問題，必須在輸(shu)(shu)出(chu)(chu)引(yin)腳上連接一個輸(shu)(shu)出(chu)(chu)電(dian)容，并盡量靠近OVP器(qi)件(jian)擺放。
由于源極和(he)漏(lou)極之間(jian)存(cun)在(zai)PMOS寄生(sheng)電容(rong)，在(zai)輸(shu)入脈沖期間(jian)正電壓(ya)電平將被傳遞，從而在(zai)PMOS驅動器喚醒期間(jian)維持一個比(bi)門電位更(geng)低的電壓(ya)(電容(rong)填充)。1個1μF的陶瓷(ci)電容(rong)足以解決這個問題(ti)。見圖3中的案(an)例1。
另一(yi)個要點是過壓(ya)(ya)閥值的(de)(de)(de)(de)定(ding)(ding)義。過壓(ya)(ya)鎖(suo)定(ding)(ding)(OVLO)和(he)欠壓(ya)(ya)鎖(suo)定(ding)(ding)(UVLO)閥值由發生欠壓(ya)(ya)或(huo)過壓(ya)(ya)事件(jian)(jian)時切斷旁路元件(jian)(jian)的(de)(de)(de)(de)內部電(dian)(dian)(dian)容所確定(ding)(ding)。OVLO電(dian)(dian)(dian)平必(bi)須(xu)高于Vbus最大(da)工作(zuo)輸(shu)出電(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)(5.25V)加上比(bi)較器的(de)(de)(de)(de)滯后電(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)。同(tong)樣(yang)，UVLO參(can)數(shu)的(de)(de)(de)(de)最大(da)值必(bi)須(xu)低于系統中(zhong)第一(yi)個元件(jian)(jian)的(de)(de)(de)(de)最大(da)額定(ding)(ding)電(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)。通常OVLO的(de)(de)(de)(de)中(zhong)心位(wei)于5.675V，能(neng)夠有效保護下(xia)游系統，使其承受(shou)6V的(de)(de)(de)(de)電(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)，而Vusb紋波電(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)可達5.25V。此(ci)前的(de)(de)(de)(de)文章(參(can)考(kao)資(zi)料1)中(zhong)提供了更詳細的(de)(de)(de)(de)資(zi)料，也提供了與墻適配器電(dian)(dian)(dian)源兼容的(de)(de)(de)(de)OVLO和(he)UVLO參(can)數(shu)值。
在設計(ji)OVP部(bu)分時，鑒于(yu)驅動關鍵電流(liu)的內部(bu)MOSFET的原因，不應忽(hu)視散熱問題。大(da)家已經明白為什么建(jian)議(yi)這類保護使用PMOS(低(di)電流(liu)消(xiao)耗)，而且由于(yu)PFet比NFet擁有(you)更高的導通(tong)阻(zu)抗(Rdson)，必須(xu)優化熱傳(chuan)遞，以(yi)避(bi)免熱能損壞。根據應用所需的功率，建(jian)議(yi)采用具(ju)有(you)裸露焊盤的封裝(如NCP360 μDFN)。器件(jian)數(shu)據手冊(ce)中提供了RθJA圖表，也可以(yi)聯系安(an)森(sen)美半導體(ti)銷售代表了解進一步信息。
幾種不同的保護等級
正如“電(dian)氣特性和防護措施”小節所述那(nei)樣，浪涌(yong)電(dian)流是(shi)造(zao)成器件(jian)電(dian)氣損(sun)壞的根(gen)源之一，需要采用OVP器件(jian)來克服這一問題(ti)。為了(le)(le)避免任何類(lei)型的浪涌(yong)行為，OVP器件(jian)中(zhong)通常都(dou)包含(han)了(le)(le)軟啟動(dong)順(shun)(shun)序。這個特殊順(shun)(shun)序貫穿于PFet門的逐漸上升過程(cheng)中(zhong)，見圖4。
即便(bian)出現Vusb或墻適配器快速(su)輸出上(shang)升(熱(re)插(cha))，在器件的(de)(de)Vout端也觀察不到電(dian)壓(ya)尖(jian)峰，這得(de)益于4ms的(de)(de)軟啟動控制。這種保護的(de)(de)最關鍵(jian)特性是能以最快速(su)度(du)檢測到任何過壓(ya)情況(kuang)，然后將內部FET開路(lu)。
OVP器件的關(guan)閉時(shi)間(jian)從突破OVLO閥值開(kai)始算到Vout引腳(jiao)下降為止。NCP360盡管消耗電流極低，但具有極快的關(guan)閉時(shi)間(jian)。
典型值700ns/最大值1.5μs的關閉時間(jian)使得該器(qi)件(jian)成為當今市場上一流的器(qi)件(jian)，
為了(le)(le)提(ti)供(gong)更高(gao)的保(bao)(bao)護等級，這(zhe)些器(qi)件(jian)中(zhong)可以加(jia)入(ru)過流(liu)保(bao)(bao)護(OCP)特性(xing)。通過提(ti)供(gong)這(zhe)種額外的功能(neng)模塊，充電(dian)電(dian)流(liu)或設備的負(fu)載電(dian)流(liu)不(bu)會超過內(nei)部編程好的限(xian)定值。為了(le)(le)符(fu)合USB規范，而瞬態電(dian)流(liu)又可能(neng)高(gao)達550mA，因此(ci)電(dian)流(liu)極限(xian)必須高(gao)于這(zhe)個值。這(zhe)個功能(neng)集(ji)成在更先(xian)進的型號NCP361之中(zhong)。這(zhe)兩(liang)款產(chan)品(pin)都(dou)提(ti)供(gong)熱保(bao)(bao)護功能(neng)。
解決方案
考慮到USB廣泛應用(yong)于兩個器件之間(jian)(jian)的通信(xin)，而且從現在(zai)起，還要為鋰離子電池充(chong)電，平臺制造(zao)商都會在(zai)設計中集(ji)成USB連接(jie)器。安森美半(ban)導體公(gong)司提供(gong)的NCP360和NCP361能夠(gou)同時(shi)提高電子IC和最終用(yong)戶(hu)的安全性。這些完(wan)全集(ji)成的解決(jue)方案(an)符合USB1.0和2.0版規范，電流消耗非常低(di)，而且具有實際市場上最快的關閉時(shi)間(jian)(jian)性能。
為了覆(fu)蓋(gai)滿(man)足中國新充(chong)電標準的(de)大(da)多(duo)數應(ying)用(yong)要求，安(an)森美(mei)半導體(ti)公司提供了多(duo)種不同的(de)OVLO型號。其(qi)OVP或OVP+OCP版(ban)本(ben)可以(yi)提供μDFN和TSOP5兩種不同封(feng)裝(zhuang)，后者在解(jie)決方案成本(ben)和熱性(xing)能(neng)(neng)方面具有折衷性(xing)能(neng)(neng)。