如何通過USB連接器保護電源和充電器件的安全

   如今大多數電子(zi)設備(bei)都有USB連接器，它們通過USB實現數據交換(huan)和/或對(dui)便攜設備(bei)的(de)電池充電。雖然USB這種通信協議(yi)已經相當(dang)普及，但(dan)當(dang)目(mu)標(biao)應(ying)用需要通過USB連接為設備(bei)供電時(shi)，必須注意一些安全防范措施。

電氣特性和防護措施

   通(tong)過USB連接(jie)的(de)下游(you)系(xi)統可以由多種類型的(de)主機(ji)來供電。

  在連(lian)接(jie)個人計算機(PC)等標準USB源設備時，連(lian)接(jie)器上(shang)將包含Vbus電(dian)源端(duan)子(zi)和數據端(duan)子(zi)(D+和D-)。Vbus電(dian)壓值由USB規(gui)范明確定(ding)義：額定(ding)電(dian)壓為5V，最(zui)高可達5.25V。事實上(shang)，較(jiao)長的(de)(de)線纜會因串(chuan)連(lian)電(dian)感(gan)產生振鈴(ling)現象。這個最(zui)大振鈴(ling)紋波(bo)電(dian)壓取決于移動(dong)設備的(de)(de)輸入(ru)電(dian)容和寄(ji)生電(dian)感(gan)。售后非原配件(jian)往往具有較(jiao)低的(de)(de)性能，電(dian)纜也會有較(jiao)高的(de)(de)寄(ji)生參(can)數，這些因素對(dui)連(lian)接(jie)的(de)(de)外設可能造成潛(qian)在危害。

   通常Vbus引(yin)(yin)腳(jiao)連接至收發器(qi)(qi)的(de)電(dian)(dian)(dian)源輸(shu)入(ru)引(yin)(yin)腳(jiao)(有時(shi)會通過最大額(e)定(ding)電(dian)(dian)(dian)壓為6V的(de)低(di)壓降穩壓器(qi)(qi)進行連接)，在Vbus電(dian)(dian)(dian)源用于對鋰(li)離(li)子電(dian)(dian)(dian)池充(chong)電(dian)(dian)(dian)時(shi)(大多數情況(kuang)下最大額(e)定(ding)電(dian)(dian)(dian)壓為7V或10V)也(ye)可以連接至充(chong)電(dian)(dian)(dian)器(qi)(qi)的(de)輸(shu)入(ru)引(yin)(yin)腳(jiao)。

   但用戶(hu)也可以連接外設為內置鋰離子(zi)電池充電,然后使用市(shi)場上出售的墻(qiang)適配器(qi)。在(zai)這個案例中，僅有Vbus引腳和GND被連接，而D+和D-被短路(lu)。

   根據這(zhe)種適配(pei)器(qi)的(de)質量和復雜程(cheng)度(du)，其輸(shu)出電(dian)壓可能(neng)發(fa)生遠(yuan)遠(yuan)超過制造目前小型便攜式產(chan)品所需敏感電(dian)子元件最大(da)額定值的(de)輸(shu)出瞬態現象。

   對(dui)一些交流-直(zhi)流電(dian)(dian)源的基準測(ce)試顯示(shi)出不良的線路穩壓性能，而(er)在存在光耦反(fan)饋(開關充(chong)電(dian)(dian)器)損(sun)耗的情況下更(geng)糟糕(gao)，輸出電(dian)(dian)壓可能升高至20V。

   通過在設(she)備前面設(she)計(ji)過壓保護(OVP)器件，浪涌效應和主機不盡責(ze)現象可以被(bei)消除。

如何設計

   USB電(dian)(dian)流(liu)能(neng)力(li)在(zai)正(zheng)常模(mo)式(shi)(shi)下是100mA(未配置模(mo)式(shi)(shi))，而在(zai)配置模(mo)式(shi)(shi)下可達500mA。為了節省功率，在(zai)沒(mei)有數(shu)據流(liu)量時USB將進入暫停(ting)模(mo)式(shi)(shi)。當器件處在(zai)暫停(ting)模(mo)式(shi)(shi)，而且又是總線(xian)供電(dian)(dian)的(de)話，器件將不能(neng)從總線(xian)抽取(qu)超過500μA的(de)電(dian)(dian)流(liu)。一(yi)個主機(ji)能(neng)夠發出恢復指令或遠(yuan)程喚醒指令來激活另一(yi)個待(dai)機(ji)狀態的(de)主機(ji)。上述要(yao)(yao)點表明(ming)OVP電(dian)(dian)路(lu)需要(yao)(yao)滿足不同(tong)指標要(yao)(yao)求(qiu)，如(ru)電(dian)(dian)流(liu)能(neng)力(li)、散熱、欠壓和(he)過壓保護及(ji)靜態電(dian)(dian)流(liu)消(xiao)耗。

   當處在暫停模式時，與Vbus線路串連的OVP器件將呈現(xian)最低的電流消(xiao)耗，并由收(shou)發(fa)器啟動序列喚醒過程(圖2)。

   為(wei)了通過PMOS旁(pang)路(lu)元件(jian)消除任何類型(xing)的寄生耦(ou)合電壓，必須在盡可能靠近OVP器件(jian)的地方(fang)安排一些小型(xing)輸入和輸出電容(圖3)。

   輸(shu)出(chu)(chu)電容(rong)已(yi)被移除。這(zhe)樣，當OVP器(qi)(qi)件(jian)(jian)輸(shu)入端(duan)出(chu)(chu)現快(kuai)速輸(shu)入瞬態現象時(shi)，旁路元件(jian)(jian)將保(bao)持開(kai)路。這(zhe)時(shi)可以(yi)在(zai)輸(shu)出(chu)(chu)端(duan)觀察到過沖，這(zhe)個(ge)過沖可能會損壞連接至OVP輸(shu)出(chu)(chu)端(duan)的電子元器(qi)(qi)件(jian)(jian)。為了解決(jue)這(zhe)個(ge)問題(ti)，必須在(zai)輸(shu)出(chu)(chu)引腳(jiao)上連接一(yi)個(ge)輸(shu)出(chu)(chu)電容(rong)，并盡量靠近(jin)OVP器(qi)(qi)件(jian)(jian)擺放(fang)。

由于源極和漏(lou)極之間(jian)(jian)存在PMOS寄生電(dian)(dian)(dian)容，在輸入(ru)脈(mo)沖期間(jian)(jian)正電(dian)(dian)(dian)壓(ya)電(dian)(dian)(dian)平將(jiang)被傳遞，從而在PMOS驅動器喚(huan)醒(xing)期間(jian)(jian)維持一個(ge)比門電(dian)(dian)(dian)位更低(di)的電(dian)(dian)(dian)壓(ya)(電(dian)(dian)(dian)容填(tian)充)。1個(ge)1μF的陶瓷電(dian)(dian)(dian)容足以解(jie)決這個(ge)問題。見圖3中的案例1。

另(ling)一個(ge)要點是過壓(ya)閥值的(de)(de)(de)定(ding)義。過壓(ya)鎖定(ding)(OVLO)和(he)欠壓(ya)鎖定(ding)(UVLO)閥值由發生欠壓(ya)或(huo)過壓(ya)事件時切斷旁路元件的(de)(de)(de)內部電(dian)容(rong)所(suo)確(que)定(ding)。OVLO電(dian)平必(bi)須高(gao)于(yu)Vbus最(zui)大工作輸出電(dian)壓(ya)(5.25V)加上(shang)比較器的(de)(de)(de)滯后電(dian)壓(ya)。同樣(yang)，UVLO參(can)數(shu)(shu)的(de)(de)(de)最(zui)大值必(bi)須低于(yu)系統中(zhong)第一個(ge)元件的(de)(de)(de)最(zui)大額定(ding)電(dian)壓(ya)。通常OVLO的(de)(de)(de)中(zhong)心位于(yu)5.675V，能夠(gou)有效保護下游系統，使其承受6V的(de)(de)(de)電(dian)壓(ya)，而Vusb紋波電(dian)壓(ya)可達5.25V。此前的(de)(de)(de)文章(zhang)(參(can)考(kao)資料1)中(zhong)提供了更(geng)詳細的(de)(de)(de)資料，也提供了與墻適配器電(dian)源兼(jian)容(rong)的(de)(de)(de)OVLO和(he)UVLO參(can)數(shu)(shu)值。

在設(she)計OVP部分時，鑒于(yu)驅動(dong)關鍵電(dian)(dian)流的(de)(de)內部MOSFET的(de)(de)原因，不(bu)應(ying)忽視散熱問題。大家已經明白(bai)為什么(me)建(jian)議(yi)這類保護(hu)使用PMOS(低電(dian)(dian)流消耗)，而(er)且由于(yu)PFet比(bi)NFet擁(yong)有更高的(de)(de)導通阻抗(Rdson)，必須優化熱傳(chuan)遞，以避免熱能損壞(huai)。根據應(ying)用所需的(de)(de)功率，建(jian)議(yi)采用具有裸露焊盤(pan)的(de)(de)封(feng)裝(如NCP360 μDFN)。器件數(shu)(shu)(shu)據手冊(ce)中(zhong)提(ti)供了RθJA圖表(biao)，也可以聯(lian)系安(an)森美(mei)半導體銷售代(dai)表(biao)了解(jie)進一步信息。如今大多數(shu)(shu)(shu)電(dian)(dian)子設(she)備(bei)都有USB連(lian)接器，它們通過USB實現數(shu)(shu)(shu)據交換和/或對便攜(xie)設(she)備(bei)的(de)(de)電(dian)(dian)池充電(dian)(dian)。雖然USB這種通信協(xie)議(yi)已經相當普及，但(dan)當目標應(ying)用需要通過USB連(lian)接為設(she)備(bei)供電(dian)(dian)時，必須注意一些(xie)安(an)全防范措(cuo)施。

電氣特性和防護措施

通(tong)過USB連接的(de)下游系統可以(yi)由多種類型的(de)主機來供電。

在連接(jie)個(ge)人計算(suan)機(PC)等(deng)標(biao)準USB源設備(bei)時(shi)，連接(jie)器上(shang)將包含(han)Vbus電(dian)(dian)源端子和(he)(he)數據(ju)端子(D+和(he)(he)D-)。Vbus電(dian)(dian)壓(ya)值(zhi)由(you)USB規范明確定(ding)義：額定(ding)電(dian)(dian)壓(ya)為5V，最(zui)高可(ke)達5.25V。事實上(shang)，較長的(de)線纜會因串連電(dian)(dian)感產生振鈴(ling)現象。這(zhe)個(ge)最(zui)大振鈴(ling)紋(wen)波電(dian)(dian)壓(ya)取決于移(yi)動設備(bei)的(de)輸入電(dian)(dian)容和(he)(he)寄生電(dian)(dian)感。售后非原配(pei)件往往具有較低(di)的(de)性能，電(dian)(dian)纜也會有較高的(de)寄生參數，這(zhe)些因素(su)對連接(jie)的(de)外設可(ke)能造成潛在危害。

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)戶也可以連接外設(she)為內置鋰離子電池充電(如圖(tu)1的墻(qiang)適配器部分)，然后使用(yong)市(shi)場上出售的墻(qiang)適配器。在(zai)這個案例中，僅(jin)有Vbus引(yin)腳和GND被連接，而D+和D-被短路。

   根據(ju)這種(zhong)適配(pei)器(qi)的(de)質(zhi)量(liang)和復雜程度，其輸(shu)(shu)出電(dian)(dian)壓可能發生遠遠超過制(zhi)造目前小(xiao)型便攜式產品(pin)所需(xu)敏感電(dian)(dian)子元件最大額定值的(de)輸(shu)(shu)出瞬態現(xian)象(xiang)。

   對一些交流(liu)-直流(liu)電源(yuan)的(de)基準(zhun)測試(shi)顯示出不良的(de)線路穩壓性能(neng)，而在存(cun)在光(guang)耦反饋(開關充電器(qi))損耗(hao)的(de)情(qing)況(kuang)下(xia)更糟糕(gao)，輸出電壓可能(neng)升高至20V。

   通過在(zai)設備前面設計過壓保護(OVP)器件，浪涌效應和主機不盡(jin)責現(xian)象可以被消除。

如何設計

   USB電(dian)流(liu)(liu)能力(li)在正常模(mo)(mo)式(shi)下是100mA(未配(pei)置模(mo)(mo)式(shi))，而在配(pei)置模(mo)(mo)式(shi)下可達500mA。為了節省功率，在沒(mei)有數據流(liu)(liu)量時USB將進入暫停模(mo)(mo)式(shi)。當(dang)器(qi)件處在暫停模(mo)(mo)式(shi)，而且又是總(zong)線(xian)供電(dian)的話，器(qi)件將不能從總(zong)線(xian)抽取超(chao)過500μA的電(dian)流(liu)(liu)。一個主機(ji)能夠發出恢復指(zhi)令(ling)或遠程喚醒指(zhi)令(ling)來激活另一個待(dai)機(ji)狀(zhuang)態的主機(ji)。上述要點表(biao)明OVP電(dian)路需要滿足不同指(zhi)標(biao)要求，如電(dian)流(liu)(liu)能力(li)、散(san)熱、欠壓(ya)和(he)過壓(ya)保護及(ji)靜態電(dian)流(liu)(liu)消耗。

   當處在暫停(ting)模式時，與Vbus線路串連的OVP器(qi)件將呈(cheng)現(xian)最低的電流消耗，并由收發器(qi)啟動序列喚醒(xing)過程(cheng)

    采用的(de)是PMOS驅動器(qi)，因此電(dian)流消耗極低(di)。為了(le)通過PMOS旁(pang)路元件(jian)消除(chu)任何(he)類型的(de)寄(ji)生耦合(he)電(dian)壓，必須在盡可能靠近(jin)OVP器(qi)件(jian)的(de)地方安排一些小(xiao)型輸入和輸出電(dian)容(圖3)。

   當OVP器件(jian)輸入端(duan)出(chu)(chu)現(xian)(xian)快速輸入瞬態(tai)現(xian)(xian)象時，旁路(lu)元件(jian)將保持開(kai)路(lu)。這(zhe)時可(ke)以在輸出(chu)(chu)端(duan)觀察(cha)到過沖，這(zhe)個過沖可(ke)能會損壞連接(jie)至(zhi)OVP輸出(chu)(chu)端(duan)的電子元器件(jian)。為了解(jie)決這(zhe)個問題，必須在輸出(chu)(chu)引腳上連接(jie)一個輸出(chu)(chu)電容，并盡量靠近OVP器件(jian)擺(bai)放。

由于源極和漏極之間(jian)(jian)存(cun)在(zai)PMOS寄生(sheng)電(dian)(dian)容(rong)(rong)，在(zai)輸(shu)入(ru)脈沖(chong)期間(jian)(jian)正電(dian)(dian)壓(ya)(ya)電(dian)(dian)平將被傳遞，從(cong)而在(zai)PMOS驅(qu)動器喚醒期間(jian)(jian)維持一個(ge)比門電(dian)(dian)位更(geng)低的電(dian)(dian)壓(ya)(ya)(電(dian)(dian)容(rong)(rong)填充(chong))。1個(ge)1μF的陶瓷電(dian)(dian)容(rong)(rong)足以(yi)解決(jue)這個(ge)問題。見(jian)圖(tu)3中的案例1。

另一個要點(dian)是過(guo)壓(ya)(ya)(ya)(ya)閥值(zhi)的(de)定義。過(guo)壓(ya)(ya)(ya)(ya)鎖(suo)定(OVLO)和(he)欠壓(ya)(ya)(ya)(ya)鎖(suo)定(UVLO)閥值(zhi)由(you)發(fa)生(sheng)欠壓(ya)(ya)(ya)(ya)或過(guo)壓(ya)(ya)(ya)(ya)事件時切斷旁路元(yuan)(yuan)件的(de)內部電(dian)容所確定。OVLO電(dian)平必須高(gao)于(yu)(yu)Vbus最(zui)大工(gong)作輸(shu)出電(dian)壓(ya)(ya)(ya)(ya)(5.25V)加上比較器(qi)的(de)滯后(hou)電(dian)壓(ya)(ya)(ya)(ya)。同樣，UVLO參數的(de)最(zui)大值(zhi)必須低于(yu)(yu)系(xi)統(tong)中(zhong)第一個元(yuan)(yuan)件的(de)最(zui)大額定電(dian)壓(ya)(ya)(ya)(ya)。通常OVLO的(de)中(zhong)心位于(yu)(yu)5.675V，能夠有效保護(hu)下游系(xi)統(tong)，使(shi)其承受6V的(de)電(dian)壓(ya)(ya)(ya)(ya)，而(er)Vusb紋波電(dian)壓(ya)(ya)(ya)(ya)可(ke)達5.25V。此前的(de)文章(zhang)(參考資料1)中(zhong)提供了(le)更詳(xiang)細(xi)的(de)資料，也提供了(le)與墻適配器(qi)電(dian)源兼容的(de)OVLO和(he)UVLO參數值(zhi)。

在設計OVP部分時，鑒(jian)于(yu)驅動關(guan)鍵電流(liu)的(de)內(nei)部MOSFET的(de)原因，不應忽視散熱(re)(re)問題。大家已(yi)經明(ming)白(bai)為(wei)什么(me)建議這類保護使用PMOS(低電流(liu)消耗)，而且由于(yu)PFet比NFet擁有(you)更高的(de)導通阻抗(Rdson)，必須優化熱(re)(re)傳(chuan)遞，以避免(mian)熱(re)(re)能損壞(huai)。根(gen)據應用所需(xu)的(de)功率，建議采用具有(you)裸露(lu)焊(han)盤的(de)封裝(如NCP360 μDFN)。器(qi)件數(shu)據手冊中(zhong)提供了(le)RθJA圖(tu)表(biao)，也可以聯系安森美半導體銷售(shou)代表(biao)了(le)解進一(yi)步信息。

幾種不同的保護等級

正如“電氣特(te)性和防護措施”小節(jie)所述那樣，浪涌電流是造成器(qi)件電氣損壞的(de)(de)根源之一，需要(yao)采用(yong)OVP器(qi)件來克(ke)服這一問題。為了(le)(le)避免(mian)任何類型的(de)(de)浪涌行為，OVP器(qi)件中通(tong)常都(dou)包(bao)含了(le)(le)軟啟(qi)動順序。這個特(te)殊順序貫穿于PFet門的(de)(de)逐漸上升過程(cheng)中，見圖(tu)4。

   即便出現(xian)Vusb或墻適配器快(kuai)速輸出上升(熱(re)插(cha))，在(zai)器件的Vout端也(ye)觀察(cha)不到電壓尖峰，這得益于4ms的軟啟動控制。這種保護的最關(guan)鍵特性是能以最快(kuai)速度檢測到任何過壓情況(kuang)，然后將內部FET開路。

    OVP器件(jian)的關閉時間(jian)從突破(po)OVLO閥值開始算到(dao)Vout引腳下降為止。NCP360盡管消耗電流極(ji)低(di)，但具有極(ji)快的關閉時間(jian)。

典(dian)型值700ns/最大值1.5μs的(de)關閉(bi)時(shi)間使得該器(qi)件成為(wei)當今(jin)市(shi)場上一流的(de)器(qi)件，

   為了(le)提供(gong)更高的保(bao)護(hu)等級，這些器(qi)件中可以(yi)加(jia)入過(guo)流(liu)保(bao)護(hu)(OCP)特性。通(tong)過(guo)提供(gong)這種額外的功(gong)能(neng)(neng)模塊，充電(dian)電(dian)流(liu)或設(she)備的負(fu)載電(dian)流(liu)不會(hui)超(chao)過(guo)內部(bu)編程好的限定值。為了(le)符合USB規范，而(er)瞬(shun)態電(dian)流(liu)又可能(neng)(neng)高達(da)550mA，因此(ci)電(dian)流(liu)極(ji)限必須高于這個值。這個功(gong)能(neng)(neng)集成在更先進的型(xing)號(hao)NCP361之(zhi)中。這兩(liang)款(kuan)產品都(dou)提供(gong)熱(re)保(bao)護(hu)功(gong)能(neng)(neng)。

解決方案

   考慮到USB廣泛應用于兩個器件之(zhi)間(jian)的(de)通信，而(er)且(qie)從現在起，還要為鋰離子電(dian)池(chi)充電(dian)，平臺制(zhi)造(zao)商都會在設計中集成USB連接器。安森美(mei)半導體公司提供的(de)NCP360和NCP361能(neng)夠(gou)同時提高電(dian)子IC和最終用戶的(de)安全(quan)性(xing)。這些完全(quan)集成的(de)解(jie)決方案符(fu)合USB1.0和2.0版規范，電(dian)流消耗非(fei)常低，而(er)且(qie)具有實際市場上最快的(de)關閉時間(jian)性(xing)能(neng)。

   為了覆蓋滿足(zu)中國(guo)新充(chong)電標準的大(da)多數應用要(yao)求，安森(sen)美(mei)半導(dao)體公司提供了多種不同的OVLO型號。其OVP或OVP+OCP版本可以提供μDFN和TSOP5兩種不同封裝(zhuang)，后者(zhe)在解決方案成(cheng)本和熱性能(neng)方面(mian)具有折衷(zhong)性能(neng)。