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(dian)子(zi)設(she)(she)備都有USB連接器，它(ta)們通(tong)(tong)過(guo)USB實現數(shu)據(ju)交換(huan)和/或(huo)對便(bian)攜設(she)(she)備的電(dian)池充(chong)電(dian)。雖然USB這種(zhong)通(tong)(tong)信(xin)協議已經相當(dang)普及，但當(dang)目標應用需要(yao)通(tong)(tong)過(guo)USB連接為設(she)(she)備供電(dian)時(shi)，必須(xu)注意一些(xie)安全(quan)防范措施(shi)。
電氣特性和防護措施
通過USB連接的下(xia)游系統可(ke)以(yi)由多種類型(xing)的主機來供電。
在連接(jie)(jie)(jie)個人計算機(PC)等標準USB源(yuan)設(she)備時，連接(jie)(jie)(jie)器(qi)上將(jiang)包含Vbus電(dian)源(yuan)端(duan)子和數據端(duan)子(D+和D-)。Vbus電(dian)壓值由USB規范明確定(ding)義(yi)：額定(ding)電(dian)壓為(wei)5V，最(zui)高可達5.25V。事實(shi)上，較長的(de)(de)(de)線纜(lan)(lan)會因串連電(dian)感產(chan)生(sheng)振(zhen)鈴現象(xiang)。這個最(zui)大振(zhen)鈴紋波電(dian)壓取決于移動(dong)設(she)備的(de)(de)(de)輸入電(dian)容和寄生(sheng)電(dian)感。售后(hou)非原配(pei)件(jian)往往具有(you)較低的(de)(de)(de)性能(neng)，電(dian)纜(lan)(lan)也會有(you)較高的(de)(de)(de)寄生(sheng)參數，這些因素(su)對連接(jie)(jie)(jie)的(de)(de)(de)外設(she)可能(neng)造(zao)成(cheng)潛(qian)在危害(hai)。
通常Vbus引腳(jiao)連接至(zhi)收發器的(de)電(dian)源輸(shu)(shu)入引腳(jiao)(有時會(hui)通過(guo)最(zui)大(da)額(e)定電(dian)壓(ya)(ya)為(wei)6V的(de)低壓(ya)(ya)降(jiang)穩(wen)壓(ya)(ya)器進行連接)，在Vbus電(dian)源用于對鋰離子電(dian)池充電(dian)時(大(da)多數情況(kuang)下最(zui)大(da)額(e)定電(dian)壓(ya)(ya)為(wei)7V或10V)也(ye)可以連接至(zhi)充電(dian)器的(de)輸(shu)(shu)入引腳(jiao)。
但用戶也可以連(lian)接(jie)外設為內(nei)置鋰離(li)子電池充電,然(ran)后使用市場上出售的墻適配器。在這個案例中，僅(jin)有(you)Vbus引腳(jiao)和GND被連(lian)接(jie)，而D+和D-被短路。
根(gen)據這(zhe)種(zhong)適配器的(de)質量和復(fu)雜程度，其(qi)輸出電(dian)壓可能發(fa)生遠(yuan)遠(yuan)超過制造(zao)目前(qian)小(xiao)型便(bian)攜式產品所需敏感電(dian)子元(yuan)件最大額定(ding)值的(de)輸出瞬態現(xian)象。
對一些交流(liu)-直(zhi)流(liu)電源(yuan)的(de)基準測(ce)試顯示出不良的(de)線路穩壓性(xing)能，而在(zai)存在(zai)光耦反饋(開關充電器)損(sun)耗的(de)情況下更糟(zao)糕，輸(shu)出電壓可能升高至20V。
通過在(zai)設備前(qian)面設計過壓保(bao)護(hu)(OVP)器件(jian)，浪涌效應和主(zhu)機不盡責現象可以被消除。
如何設計
USB電(dian)(dian)(dian)流(liu)能力在(zai)正(zheng)常模(mo)(mo)(mo)式(shi)下(xia)是100mA(未(wei)配置模(mo)(mo)(mo)式(shi))，而在(zai)配置模(mo)(mo)(mo)式(shi)下(xia)可達(da)500mA。為了節(jie)省功率，在(zai)沒(mei)有數據流(liu)量時USB將進入暫停(ting)模(mo)(mo)(mo)式(shi)。當器件處在(zai)暫停(ting)模(mo)(mo)(mo)式(shi)，而且又(you)是總線供電(dian)(dian)(dian)的(de)話，器件將不(bu)能從總線抽取超過(guo)500μA的(de)電(dian)(dian)(dian)流(liu)。一個主機(ji)能夠(gou)發出(chu)恢復(fu)指(zhi)令或遠程喚醒指(zhi)令來激活另一個待機(ji)狀(zhuang)態的(de)主機(ji)。上(shang)述要點表明OVP電(dian)(dian)(dian)路需要滿足(zu)不(bu)同(tong)指(zhi)標要求，如電(dian)(dian)(dian)流(liu)能力、散熱、欠壓和過(guo)壓保護(hu)及靜態電(dian)(dian)(dian)流(liu)消耗。
當處在暫(zan)停模(mo)式時，與Vbus線路串連的OVP器件將呈現(xian)最低的電流消(xiao)耗，并由收發器啟(qi)動序列喚醒過程(圖(tu)2)。
為(wei)了通過PMOS旁(pang)路元件消除任何類型的寄生耦合電壓，必須在盡可能靠近OVP器件的地方(fang)安排一些(xie)小型輸入和輸出電容(圖3)。
輸出(chu)電容(rong)已被移除。這樣，當OVP器(qi)件(jian)輸入端出(chu)現(xian)快速(su)輸入瞬(shun)態現(xian)象(xiang)時(shi)，旁路元(yuan)件(jian)將(jiang)保持開路。這時(shi)可以在輸出(chu)端觀察到過沖(chong)，這個過沖(chong)可能會損壞(huai)連(lian)接(jie)至OVP輸出(chu)端的電子元(yuan)器(qi)件(jian)。為(wei)了解(jie)決這個問(wen)題，必(bi)須在輸出(chu)引腳(jiao)上連(lian)接(jie)一(yi)個輸出(chu)電容(rong)，并盡量靠(kao)近OVP器(qi)件(jian)擺放。
由于源極(ji)和漏極(ji)之間存在(zai)PMOS寄生電(dian)(dian)容，在(zai)輸(shu)入脈沖期間正電(dian)(dian)壓(ya)電(dian)(dian)平將被(bei)傳遞，從而在(zai)PMOS驅動器喚醒期間維(wei)持(chi)一個(ge)比門電(dian)(dian)位更低的電(dian)(dian)壓(ya)(電(dian)(dian)容填充(chong))。1個(ge)1μF的陶瓷(ci)電(dian)(dian)容足以解決(jue)這個(ge)問題。見圖3中的案例1。
另一個要點是過(guo)壓(ya)(ya)閥值的(de)(de)(de)(de)定(ding)義。過(guo)壓(ya)(ya)鎖定(ding)(OVLO)和欠壓(ya)(ya)鎖定(ding)(UVLO)閥值由發生欠壓(ya)(ya)或(huo)過(guo)壓(ya)(ya)事件(jian)時切斷旁(pang)路元(yuan)件(jian)的(de)(de)(de)(de)內(nei)部電(dian)(dian)(dian)容(rong)所(suo)確定(ding)。OVLO電(dian)(dian)(dian)平必須(xu)高于Vbus最(zui)大工作(zuo)輸出電(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)(5.25V)加(jia)上比較器的(de)(de)(de)(de)滯后(hou)電(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)。同樣(yang)，UVLO參(can)數的(de)(de)(de)(de)最(zui)大值必須(xu)低于系統(tong)中(zhong)第(di)一個元(yuan)件(jian)的(de)(de)(de)(de)最(zui)大額定(ding)電(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)。通常OVLO的(de)(de)(de)(de)中(zhong)心位(wei)于5.675V，能夠有(you)效保護下游系統(tong)，使(shi)其承(cheng)受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(zhang)(參(can)考資料1)中(zhong)提供了更詳細(xi)的(de)(de)(de)(de)資料，也提供了與墻適配器電(dian)(dian)(dian)源兼容(rong)的(de)(de)(de)(de)OVLO和UVLO參(can)數值。
在設計OVP部(bu)分時，鑒于(yu)驅(qu)動關鍵(jian)電(dian)(dian)流(liu)的(de)(de)內部(bu)MOSFET的(de)(de)原因，不應忽視(shi)散熱(re)(re)問題。大家已經(jing)明白為什么(me)建議這類保護使(shi)用(yong)PMOS(低電(dian)(dian)流(liu)消耗)，而(er)且(qie)由(you)于(yu)PFet比NFet擁有更高(gao)的(de)(de)導通阻(zu)抗(Rdson)，必須優化熱(re)(re)傳遞，以避免熱(re)(re)能(neng)損壞。根據應用(yong)所需(xu)的(de)(de)功率，建議采用(yong)具有裸露焊盤(pan)的(de)(de)封裝(zhuang)(如NCP360 μDFN)。器件數(shu)據手冊中提(ti)供了RθJA圖表(biao)，也可(ke)以聯系安森(sen)美(mei)半導體銷售代表(biao)了解進一步信息。如今大多數(shu)電(dian)(dian)子設備(bei)都有USB連接(jie)器，它們(men)通過USB實現數(shu)據交換和/或對便攜設備(bei)的(de)(de)電(dian)(dian)池充電(dian)(dian)。雖然USB這種(zhong)通信協議已經(jing)相(xiang)當普(pu)及，但當目(mu)標應用(yong)需(xu)要通過USB連接(jie)為設備(bei)供電(dian)(dian)時，必須注(zhu)意一些(xie)安全防范措施(shi)。
電氣特性和防護措施
通過USB連(lian)接(jie)的(de)下游系統(tong)可以(yi)由(you)多(duo)種類型的(de)主機來供(gong)電。
在連接個人計算機(PC)等標準USB源(yuan)(yuan)設備時，連接器上將包含Vbus電(dian)(dian)(dian)源(yuan)(yuan)端子和數(shu)據端子(D+和D-)。Vbus電(dian)(dian)(dian)壓(ya)值由USB規范明確定義(yi)：額定電(dian)(dian)(dian)壓(ya)為(wei)5V，最(zui)高可(ke)達5.25V。事實上，較(jiao)長的線纜會(hui)因串連電(dian)(dian)(dian)感(gan)產生振(zhen)鈴現象。這個最(zui)大振(zhen)鈴紋波電(dian)(dian)(dian)壓(ya)取(qu)決于移動(dong)設備的輸入電(dian)(dian)(dian)容和寄(ji)生電(dian)(dian)(dian)感(gan)。售后非(fei)原配件往往具有較(jiao)低的性能，電(dian)(dian)(dian)纜也會(hui)有較(jiao)高的寄(ji)生參數(shu)，這些因素(su)對連接的外設可(ke)能造成潛在危害(hai)。
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。
但用戶也可以連(lian)接外設(she)為內(nei)置鋰(li)離子電池充電(如圖1的(de)墻適配(pei)器部分)，然后(hou)使用市(shi)場上出售的(de)墻適配(pei)器。在這個案例(li)中，僅有Vbus引(yin)腳和(he)GND被連(lian)接，而D+和(he)D-被短(duan)路(lu)。
根據這(zhe)種適配器的質量和復雜程度，其輸(shu)出(chu)電(dian)壓(ya)可能發生遠遠超過制造目前小型便(bian)攜式產(chan)品所需敏感電(dian)子元件最大額定值(zhi)的輸(shu)出(chu)瞬態現(xian)象。
對一些交流-直流電源(yuan)的(de)(de)基(ji)準測試顯示出不良(liang)的(de)(de)線路穩壓性能(neng)，而在存在光耦反(fan)饋(開(kai)關充電器)損耗的(de)(de)情況下更糟糕，輸出電壓可能(neng)升(sheng)高至(zhi)20V。
通過在設備前(qian)面設計過壓保護(OVP)器件(jian)，浪涌效應和(he)主(zhu)機(ji)不盡(jin)責現象可以被(bei)消除。
如何設計
USB電流能(neng)(neng)力(li)在正常模(mo)式(shi)下(xia)是100mA(未(wei)配置模(mo)式(shi))，而在配置模(mo)式(shi)下(xia)可達500mA。為了節(jie)省功(gong)率，在沒有數據(ju)流量(liang)時(shi)USB將(jiang)進入(ru)暫(zan)停(ting)(ting)模(mo)式(shi)。當器(qi)(qi)件處在暫(zan)停(ting)(ting)模(mo)式(shi)，而且又是總(zong)線供電的(de)話，器(qi)(qi)件將(jiang)不能(neng)(neng)從總(zong)線抽取超過500μA的(de)電流。一(yi)個(ge)主機能(neng)(neng)夠發(fa)出恢(hui)復指令(ling)或遠程喚醒指令(ling)來激活另一(yi)個(ge)待機狀態的(de)主機。上述要(yao)點表明(ming)OVP電路需要(yao)滿足不同指標要(yao)求，如(ru)電流能(neng)(neng)力(li)、散熱、欠(qian)壓和過壓保(bao)護(hu)及靜(jing)態電流消耗。
當處在暫停模式(shi)時，與Vbus線路(lu)串連的OVP器(qi)件將呈現最低的電流消(xiao)耗(hao)，并由收發器(qi)啟(qi)動序(xu)列喚醒過程
采(cai)用的(de)是(shi)PMOS驅動器(qi)，因此電流消(xiao)耗(hao)極低。為了(le)通過PMOS旁路元件(jian)消(xiao)除任何(he)類(lei)型的(de)寄(ji)生耦合電壓(ya)，必(bi)須(xu)在盡可能靠近OVP器(qi)件(jian)的(de)地方安排一些(xie)小型輸入(ru)和輸出電容(圖3)。
當(dang)OVP器(qi)件(jian)輸入端出(chu)現快速輸入瞬態(tai)現象(xiang)時，旁(pang)路(lu)元件(jian)將保持開路(lu)。這(zhe)時可以在輸出(chu)端觀察到(dao)過沖(chong)，這(zhe)個過沖(chong)可能(neng)會損(sun)壞連接至OVP輸出(chu)端的電子元器(qi)件(jian)。為了解決(jue)這(zhe)個問題，必須在輸出(chu)引腳上(shang)連接一個輸出(chu)電容，并盡量(liang)靠近OVP器(qi)件(jian)擺放。
由于源極和漏極之間存在PMOS寄生電容(rong)(rong)，在輸入脈(mo)沖期間正電壓(ya)電平(ping)將被傳(chuan)遞，從而在PMOS驅動器喚醒期間維持一個比門電位更(geng)低的(de)電壓(ya)(電容(rong)(rong)填充)。1個1μF的(de)陶瓷電容(rong)(rong)足以解決這(zhe)個問題。見(jian)圖3中(zhong)的(de)案例1。
另一(yi)個(ge)要點是過壓(ya)閥(fa)(fa)值(zhi)的(de)定(ding)(ding)義(yi)。過壓(ya)鎖定(ding)(ding)(OVLO)和欠(qian)壓(ya)鎖定(ding)(ding)(UVLO)閥(fa)(fa)值(zhi)由發生(sheng)欠(qian)壓(ya)或過壓(ya)事(shi)件(jian)時切(qie)斷(duan)旁路元(yuan)件(jian)的(de)內部電(dian)容所確定(ding)(ding)。OVLO電(dian)平必須高于(yu)Vbus最大(da)工作輸出電(dian)壓(ya)(5.25V)加上比較器的(de)滯后電(dian)壓(ya)。同樣，UVLO參數(shu)的(de)最大(da)值(zhi)必須低于(yu)系統(tong)中(zhong)第一(yi)個(ge)元(yuan)件(jian)的(de)最大(da)額(e)定(ding)(ding)電(dian)壓(ya)。通常(chang)OVLO的(de)中(zhong)心位于(yu)5.675V，能夠有效(xiao)保護下游系統(tong)，使其承受6V的(de)電(dian)壓(ya)，而Vusb紋波電(dian)壓(ya)可達5.25V。此前(qian)的(de)文章(zhang)(參考(kao)資(zi)料1)中(zhong)提(ti)(ti)供了(le)更詳細的(de)資(zi)料，也提(ti)(ti)供了(le)與墻適配器電(dian)源兼容的(de)OVLO和UVLO參數(shu)值(zhi)。
在設計OVP部(bu)分時，鑒(jian)于(yu)驅動關鍵電流的(de)內部(bu)MOSFET的(de)原因，不應忽視散熱問題。大(da)家已經明白(bai)為(wei)什么建(jian)議(yi)這類保護使用(yong)PMOS(低(di)電流消耗)，而且(qie)由于(yu)PFet比NFet擁有更高的(de)導通阻抗(Rdson)，必(bi)須(xu)優化熱傳遞，以避免熱能損(sun)壞。根據應用(yong)所需的(de)功率(lv)，建(jian)議(yi)采用(yong)具有裸(luo)露焊盤的(de)封裝(zhuang)(如NCP360 μDFN)。器件數(shu)據手冊中提供了RθJA圖(tu)表，也可以聯系安(an)森美(mei)半導體銷(xiao)售代表了解進(jin)一步信息(xi)。
幾種不同的保護等級
正如“電氣特性和防護措施”小節所述那樣，浪涌(yong)電流是造成(cheng)器(qi)件電氣損(sun)壞的(de)(de)根(gen)源之一，需要采用OVP器(qi)件來克服這一問題。為(wei)了(le)(le)避免任何類型的(de)(de)浪涌(yong)行為(wei)，OVP器(qi)件中(zhong)(zhong)通常都包含(han)了(le)(le)軟啟動順(shun)序。這個特殊順(shun)序貫穿于(yu)PFet門的(de)(de)逐漸上升過程中(zhong)(zhong)，見圖(tu)4。
即便出現Vusb或墻(qiang)適配器快速輸出上升(sheng)(熱(re)插)，在器件的(de)Vout端也觀(guan)察不到電(dian)壓(ya)尖峰，這(zhe)得(de)益于4ms的(de)軟啟動控制(zhi)。這(zhe)種保護的(de)最關鍵特性(xing)是能(neng)以最快速度檢測到任何過壓(ya)情況，然后將內部FET開路(lu)。
OVP器件的關閉時(shi)(shi)間(jian)從突破(po)OVLO閥值開始算(suan)到Vout引腳(jiao)下降為止。NCP360盡管(guan)消耗電流極(ji)(ji)低，但具有(you)極(ji)(ji)快(kuai)的關閉時(shi)(shi)間(jian)。
典型(xing)值700ns/最大值1.5μs的關閉時(shi)間(jian)使得(de)該(gai)器件成為(wei)當今市場上(shang)一(yi)流的器件，
為了提供(gong)更(geng)高的(de)(de)保護等(deng)級，這些器件中(zhong)可以加入過流(liu)(liu)保護(OCP)特(te)性(xing)。通過提供(gong)這種額(e)外的(de)(de)功能(neng)模塊，充(chong)電(dian)電(dian)流(liu)(liu)或設備的(de)(de)負(fu)載電(dian)流(liu)(liu)不會超過內部編程(cheng)好的(de)(de)限定值(zhi)。為了符(fu)合USB規范，而瞬態(tai)電(dian)流(liu)(liu)又可能(neng)高達(da)550mA，因(yin)此電(dian)流(liu)(liu)極(ji)限必須高于這個值(zhi)。這個功能(neng)集(ji)成(cheng)在更(geng)先進的(de)(de)型號NCP361之中(zhong)。這兩款產(chan)品(pin)都提供(gong)熱保護功能(neng)。
解決方案
考慮到USB廣泛應用于兩個器件之(zhi)間的(de)(de)通信，而(er)(er)且從(cong)現(xian)在(zai)起，還要為鋰離子電(dian)池充(chong)電(dian)，平臺制造(zao)商都會在(zai)設計(ji)中集(ji)成USB連(lian)接器。安森美半(ban)導體公(gong)司(si)提(ti)供的(de)(de)NCP360和(he)NCP361能夠(gou)同時(shi)提(ti)高(gao)電(dian)子IC和(he)最終用戶的(de)(de)安全(quan)性(xing)。這(zhe)些完全(quan)集(ji)成的(de)(de)解決(jue)方案符合USB1.0和(he)2.0版規范，電(dian)流消耗非(fei)常低，而(er)(er)且具(ju)有實際市(shi)場上最快的(de)(de)關閉時(shi)間性(xing)能。
為了覆蓋滿足中國新充電(dian)標準的(de)大多數(shu)應(ying)用要(yao)求，安森美半導體公司(si)提供了多種不(bu)同的(de)OVLO型號(hao)。其OVP或OVP+OCP版本可(ke)以提供μDFN和TSOP5兩(liang)種不(bu)同封裝，后者在(zai)解決方案成(cheng)本和熱性能方面(mian)具有折衷(zhong)性能。