如何通過USB連接器保護電源和充電器件的安全

   如今大多數電子設(she)(she)(she)備(bei)(bei)(bei)都(dou)有USB連接器(qi)，它們通(tong)過USB實現數據交換和/或對便攜設(she)(she)(she)備(bei)(bei)(bei)的電池(chi)充(chong)電。雖然USB這種通(tong)信協議(yi)已(yi)經相當普(pu)及，但(dan)當目標應(ying)用(yong)需(xu)要(yao)通(tong)過USB連接為設(she)(she)(she)備(bei)(bei)(bei)供(gong)電時，必須(xu)注意一(yi)些安全防范措施(shi)。

電氣特性和防護措施

   通過(guo)USB連接的下游(you)系(xi)統(tong)可(ke)以由多種類(lei)型的主機來(lai)供電(dian)。

  在連(lian)(lian)接(jie)個人計算機(PC)等(deng)標準USB源(yuan)(yuan)設(she)備時，連(lian)(lian)接(jie)器上將包含Vbus電(dian)(dian)源(yuan)(yuan)端(duan)子(zi)和數據端(duan)子(zi)(D+和D-)。Vbus電(dian)(dian)壓值由USB規(gui)范(fan)明確定義：額定電(dian)(dian)壓為5V，最高(gao)可(ke)達5.25V。事實(shi)上，較長的(de)線纜會(hui)因串(chuan)連(lian)(lian)電(dian)(dian)感(gan)產生振鈴現(xian)象。這(zhe)(zhe)個最大振鈴紋波電(dian)(dian)壓取(qu)決于移動設(she)備的(de)輸入電(dian)(dian)容和寄生電(dian)(dian)感(gan)。售后非(fei)原配件(jian)往往具有較低(di)的(de)性能，電(dian)(dian)纜也會(hui)有較高(gao)的(de)寄生參數，這(zhe)(zhe)些因素(su)對連(lian)(lian)接(jie)的(de)外設(she)可(ke)能造成潛(qian)在危害(hai)。

   通(tong)常(chang)Vbus引腳(jiao)(jiao)連(lian)接(jie)至(zhi)收發器的電(dian)(dian)源(yuan)輸(shu)入(ru)(ru)引腳(jiao)(jiao)(有(you)時會通(tong)過最大(da)額定(ding)電(dian)(dian)壓為(wei)6V的低壓降穩壓器進行連(lian)接(jie))，在Vbus電(dian)(dian)源(yuan)用于對鋰離(li)子(zi)電(dian)(dian)池充電(dian)(dian)時(大(da)多數情況下最大(da)額定(ding)電(dian)(dian)壓為(wei)7V或10V)也可以(yi)連(lian)接(jie)至(zhi)充電(dian)(dian)器的輸(shu)入(ru)(ru)引腳(jiao)(jiao)。

   但用(yong)戶也可(ke)以連(lian)(lian)接外設(she)為內置鋰離子(zi)電池充電,然后使用(yong)市場上出售的墻(qiang)適配器。在這個案例(li)中，僅有Vbus引腳和GND被(bei)連(lian)(lian)接，而D+和D-被(bei)短路。

   根(gen)據這種適配器的質量和復(fu)雜(za)程(cheng)度，其輸(shu)(shu)出電壓可能(neng)發(fa)生遠遠超過(guo)制(zhi)造(zao)目前小型便攜式產(chan)品(pin)所需敏感電子元件最(zui)大額定值的輸(shu)(shu)出瞬(shun)態現象。

   對一些交流-直流電(dian)源的基準測(ce)試顯示出(chu)不(bu)良的線路穩壓性能，而在存在光耦反饋(開關充電(dian)器)損(sun)耗的情況下更(geng)糟糕，輸出(chu)電(dian)壓可(ke)能升高(gao)至20V。

   通過(guo)在設(she)備前面設(she)計過(guo)壓(ya)保護(OVP)器件，浪涌效(xiao)應和(he)主(zhu)機不盡責(ze)現象可以被消除。

如何設計

   USB電(dian)流能(neng)力在(zai)正常模(mo)(mo)式下是(shi)100mA(未配(pei)置(zhi)模(mo)(mo)式)，而在(zai)配(pei)置(zhi)模(mo)(mo)式下可達500mA。為了節省功率，在(zai)沒有數據流量時(shi)USB將進入暫停模(mo)(mo)式。當器件(jian)處在(zai)暫停模(mo)(mo)式，而且(qie)又是(shi)總(zong)線(xian)供電(dian)的(de)(de)話，器件(jian)將不能(neng)從總(zong)線(xian)抽取超過500μA的(de)(de)電(dian)流。一個(ge)主機(ji)(ji)能(neng)夠發出恢復(fu)指(zhi)令(ling)或遠程喚醒(xing)指(zhi)令(ling)來激活另一個(ge)待機(ji)(ji)狀態(tai)的(de)(de)主機(ji)(ji)。上述要(yao)點表明OVP電(dian)路(lu)需要(yao)滿足不同指(zhi)標要(yao)求，如電(dian)流能(neng)力、散(san)熱、欠壓和(he)過壓保護及靜(jing)態(tai)電(dian)流消(xiao)耗。

   當處在暫停模式(shi)時，與(yu)Vbus線(xian)路串連的OVP器(qi)件將呈現最低的電流消耗，并由(you)收發器(qi)啟動序列喚醒過程(圖2)。

   為(wei)了通(tong)過PMOS旁路元件(jian)消除任(ren)何(he)類型的寄生耦(ou)合電壓，必(bi)須(xu)在(zai)盡可能靠近OVP器件(jian)的地(di)方安排一些小型輸入(ru)和輸出電容(rong)(圖3)。

   輸(shu)(shu)出(chu)電容已(yi)被移除(chu)。這樣(yang)，當OVP器件(jian)輸(shu)(shu)入(ru)(ru)端(duan)(duan)出(chu)現快(kuai)速輸(shu)(shu)入(ru)(ru)瞬(shun)態現象(xiang)時，旁路元件(jian)將保持開路。這時可以在(zai)輸(shu)(shu)出(chu)端(duan)(duan)觀察(cha)到過沖(chong)，這個(ge)過沖(chong)可能會損壞連(lian)(lian)接(jie)至OVP輸(shu)(shu)出(chu)端(duan)(duan)的電子元器件(jian)。為了解決這個(ge)問題，必(bi)須在(zai)輸(shu)(shu)出(chu)引腳(jiao)上(shang)連(lian)(lian)接(jie)一(yi)個(ge)輸(shu)(shu)出(chu)電容，并盡(jin)量靠(kao)近(jin)OVP器件(jian)擺放(fang)。

由于源極和漏極之間存(cun)在PMOS寄生電(dian)容，在輸入脈沖期(qi)間正電(dian)壓電(dian)平將被傳遞，從而在PMOS驅動器喚醒期(qi)間維持一個比門電(dian)位更(geng)低的(de)電(dian)壓(電(dian)容填充)。1個1μF的(de)陶瓷(ci)電(dian)容足以解決這個問題。見圖(tu)3中的(de)案例1。

另一個要點是過壓(ya)(ya)閥值的(de)(de)(de)(de)定(ding)(ding)義(yi)。過壓(ya)(ya)鎖(suo)定(ding)(ding)(OVLO)和欠壓(ya)(ya)鎖(suo)定(ding)(ding)(UVLO)閥值由發生欠壓(ya)(ya)或過壓(ya)(ya)事件時切斷旁路元(yuan)件的(de)(de)(de)(de)內部電(dian)容所確定(ding)(ding)。OVLO電(dian)平必須高于(yu)Vbus最(zui)(zui)大(da)工作輸出電(dian)壓(ya)(ya)(5.25V)加上比較器的(de)(de)(de)(de)滯后電(dian)壓(ya)(ya)。同樣(yang)，UVLO參數的(de)(de)(de)(de)最(zui)(zui)大(da)值必須低于(yu)系(xi)統中第一個元(yuan)件的(de)(de)(de)(de)最(zui)(zui)大(da)額(e)定(ding)(ding)電(dian)壓(ya)(ya)。通常OVLO的(de)(de)(de)(de)中心位于(yu)5.675V，能夠有效保護下游系(xi)統，使其承受6V的(de)(de)(de)(de)電(dian)壓(ya)(ya)，而Vusb紋波電(dian)壓(ya)(ya)可達5.25V。此前的(de)(de)(de)(de)文章(參考資料(liao)(liao)1)中提(ti)供了(le)更詳細(xi)的(de)(de)(de)(de)資料(liao)(liao)，也提(ti)供了(le)與(yu)墻適配器電(dian)源兼容的(de)(de)(de)(de)OVLO和UVLO參數值。

在設(she)計OVP部分時(shi)，鑒于驅動關鍵(jian)電流的(de)(de)內部MOSFET的(de)(de)原(yuan)因，不應忽視散(san)熱(re)問題(ti)。大(da)家已經(jing)明白為(wei)什(shen)么建議這類保護使用PMOS(低(di)電流消耗)，而且由于PFet比NFet擁(yong)有(you)更(geng)高的(de)(de)導(dao)通阻抗(Rdson)，必(bi)須優化(hua)熱(re)傳遞，以避免熱(re)能損壞。根據(ju)應用所需的(de)(de)功率，建議采用具有(you)裸露(lu)焊盤的(de)(de)封(feng)裝(如NCP360 μDFN)。器(qi)件數(shu)據(ju)手(shou)冊中(zhong)提(ti)供了RθJA圖表，也可以聯系安(an)森(sen)美半導(dao)體銷售代表了解進一步信息(xi)。如今大(da)多數(shu)電子(zi)設(she)備都有(you)USB連(lian)接器(qi)，它們通過USB實(shi)現數(shu)據(ju)交(jiao)換和/或對便攜設(she)備的(de)(de)電池充電。雖然USB這種通信協議已經(jing)相當普及，但當目標應用需要通過USB連(lian)接為(wei)設(she)備供電時(shi)，必(bi)須注意一些安(an)全防(fang)范措施。

電氣特性和防護措施

通過USB連接的下游系統可以由多種類型的主機(ji)來供(gong)電。

在連(lian)(lian)接(jie)個(ge)(ge)人計算機(PC)等標(biao)準(zhun)USB源設備時，連(lian)(lian)接(jie)器(qi)上(shang)將包含Vbus電源端子和(he)(he)數據端子(D+和(he)(he)D-)。Vbus電壓(ya)值由USB規范明(ming)確(que)定(ding)義：額(e)定(ding)電壓(ya)為5V，最高可達5.25V。事實上(shang)，較長(chang)的線纜會(hui)因串連(lian)(lian)電感產(chan)生(sheng)振鈴現象。這(zhe)個(ge)(ge)最大振鈴紋波電壓(ya)取(qu)決于移(yi)動設備的輸入電容和(he)(he)寄生(sheng)電感。售后非(fei)原(yuan)配件往(wang)往(wang)具有較低的性能(neng)，電纜也會(hui)有較高的寄生(sheng)參數，這(zhe)些(xie)因素對連(lian)(lian)接(jie)的外(wai)設可能(neng)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。

但用戶也(ye)可以連(lian)接(jie)外設為內置鋰離子電(dian)池(chi)充電(dian)(如圖1的(de)墻(qiang)適(shi)配(pei)器(qi)部分)，然后使用市(shi)場上(shang)出售的(de)墻(qiang)適(shi)配(pei)器(qi)。在這個案(an)例中，僅有Vbus引腳和(he)GND被連(lian)接(jie)，而D+和(he)D-被短路。

   根據這種適(shi)配器的(de)(de)質量和復雜(za)程度，其輸(shu)出電壓可能發(fa)生遠遠超過制造目前小型便攜式(shi)產(chan)品所需(xu)敏感電子(zi)元件最大額定值的(de)(de)輸(shu)出瞬態現象(xiang)。

   對(dui)一(yi)些交流(liu)-直(zhi)流(liu)電(dian)源的基(ji)準測(ce)試顯示出不良的線路穩壓性能，而在(zai)存在(zai)光耦反饋(開(kai)關充電(dian)器(qi))損耗的情(qing)況下更糟糕，輸出電(dian)壓可(ke)能升高至20V。

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

如何設計

   USB電(dian)(dian)流(liu)(liu)能力(li)(li)在(zai)(zai)正常模(mo)式下(xia)是100mA(未(wei)配置模(mo)式)，而(er)在(zai)(zai)配置模(mo)式下(xia)可達500mA。為了(le)節省功率(lv)，在(zai)(zai)沒有數據流(liu)(liu)量時USB將進入暫停模(mo)式。當器件(jian)(jian)處在(zai)(zai)暫停模(mo)式，而(er)且又是總線供電(dian)(dian)的話，器件(jian)(jian)將不能從總線抽取超過(guo)500μA的電(dian)(dian)流(liu)(liu)。一(yi)個(ge)(ge)主機(ji)(ji)能夠發出恢(hui)復指令或遠(yuan)程喚醒指令來激活(huo)另(ling)一(yi)個(ge)(ge)待機(ji)(ji)狀態的主機(ji)(ji)。上述要(yao)點表明(ming)OVP電(dian)(dian)路(lu)需要(yao)滿足不同指標要(yao)求(qiu)，如電(dian)(dian)流(liu)(liu)能力(li)(li)、散(san)熱、欠壓(ya)和過(guo)壓(ya)保護及靜態電(dian)(dian)流(liu)(liu)消(xiao)耗。

   當處(chu)在暫(zan)停模式時，與Vbus線路(lu)串連的OVP器件(jian)將呈(cheng)現最低(di)的電流(liu)消耗，并(bing)由收(shou)發器啟動序列喚醒過程

    采用的是PMOS驅(qu)動(dong)器，因此電流消(xiao)耗極低。為(wei)了(le)通過PMOS旁路元件(jian)消(xiao)除任(ren)何類型的寄生耦(ou)合電壓，必須在盡(jin)可能(neng)靠近OVP器件(jian)的地方安排一些(xie)小型輸(shu)入和(he)輸(shu)出(chu)電容(圖(tu)3)。

   當(dang)OVP器件(jian)輸(shu)入端(duan)出(chu)現快速(su)輸(shu)入瞬態現象時，旁路元(yuan)件(jian)將保(bao)持開(kai)路。這時可以在輸(shu)出(chu)端(duan)觀察到過(guo)沖，這個過(guo)沖可能會損壞連(lian)(lian)接至OVP輸(shu)出(chu)端(duan)的電子元(yuan)器件(jian)。為了(le)解決這個問(wen)題，必須在輸(shu)出(chu)引腳上連(lian)(lian)接一個輸(shu)出(chu)電容，并盡(jin)量(liang)靠近OVP器件(jian)擺放(fang)。

由于源極(ji)和漏極(ji)之(zhi)間存在(zai)PMOS寄生電(dian)(dian)容(rong)，在(zai)輸入(ru)脈沖期(qi)間正電(dian)(dian)壓電(dian)(dian)平將被傳遞，從而在(zai)PMOS驅動器喚醒期(qi)間維持一個比門(men)電(dian)(dian)位(wei)更低(di)的電(dian)(dian)壓(電(dian)(dian)容(rong)填(tian)充)。1個1μF的陶(tao)瓷電(dian)(dian)容(rong)足以解決這個問(wen)題。見圖3中的案(an)例1。

另一個要點是過(guo)壓(ya)(ya)(ya)(ya)閥值的(de)(de)(de)(de)定(ding)(ding)義(yi)。過(guo)壓(ya)(ya)(ya)(ya)鎖定(ding)(ding)(OVLO)和(he)欠壓(ya)(ya)(ya)(ya)鎖定(ding)(ding)(UVLO)閥值由發生欠壓(ya)(ya)(ya)(ya)或過(guo)壓(ya)(ya)(ya)(ya)事件(jian)(jian)時切(qie)斷旁路(lu)元(yuan)件(jian)(jian)的(de)(de)(de)(de)內部電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)容所確定(ding)(ding)。OVLO電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)平必須高于Vbus最(zui)大工作輸出電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)(ya)(ya)(5.25V)加上比較(jiao)器的(de)(de)(de)(de)滯后(hou)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)(ya)(ya)。同樣(yang)，UVLO參(can)數的(de)(de)(de)(de)最(zui)大值必須低于系統中第一個元(yuan)件(jian)(jian)的(de)(de)(de)(de)最(zui)大額(e)定(ding)(ding)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)(ya)(ya)。通常OVLO的(de)(de)(de)(de)中心位于5.675V，能夠有效保護下(xia)游系統，使其(qi)承受6V的(de)(de)(de)(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)(ya)(ya)，而Vusb紋波(bo)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)(ya)(ya)可達5.25V。此前的(de)(de)(de)(de)文(wen)章(參(can)考資(zi)料1)中提供了更詳細的(de)(de)(de)(de)資(zi)料，也提供了與墻適配(pei)器電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)源兼容的(de)(de)(de)(de)OVLO和(he)UVLO參(can)數值。

在設計(ji)OVP部分時，鑒于(yu)驅(qu)動關鍵電(dian)(dian)流(liu)的內部MOSFET的原因，不應(ying)忽視散熱(re)(re)問題。大(da)家已(yi)經明(ming)白(bai)為(wei)什么建(jian)議(yi)這(zhe)類保護使用PMOS(低電(dian)(dian)流(liu)消耗)，而且由于(yu)PFet比(bi)NFet擁有更高的導通阻(zu)抗(Rdson)，必須(xu)優化熱(re)(re)傳(chuan)遞，以(yi)避免熱(re)(re)能損壞。根(gen)據(ju)應(ying)用所需(xu)的功率，建(jian)議(yi)采用具有裸露焊盤(pan)的封裝(如NCP360 μDFN)。器件數據(ju)手冊中(zhong)提(ti)供了(le)RθJA圖表，也可以(yi)聯(lian)系(xi)安(an)森美半導體銷售代表了(le)解(jie)進(jin)一(yi)步信息。

幾種不同的保護等級

正如(ru)“電(dian)氣(qi)特性和防(fang)護措施”小節(jie)所(suo)述(shu)那樣(yang)，浪涌電(dian)流是造成器(qi)件(jian)電(dian)氣(qi)損(sun)壞的根源之一，需(xu)要采用(yong)OVP器(qi)件(jian)來克服這(zhe)一問題(ti)。為了避免任何類型(xing)的浪涌行為，OVP器(qi)件(jian)中通常都(dou)包含了軟啟動順序。這(zhe)個(ge)特殊順序貫穿(chuan)于PFet門的逐漸(jian)上升過程中，見(jian)圖4。

   即便出現Vusb或墻適配器快速輸出上升(熱(re)插(cha))，在器件(jian)的(de)(de)Vout端也(ye)觀察不到電壓(ya)尖峰，這得(de)益于4ms的(de)(de)軟(ruan)啟(qi)動控制。這種(zhong)保護的(de)(de)最(zui)關鍵特性是能以(yi)最(zui)快速度檢測到任何過壓(ya)情況，然后(hou)將內(nei)部(bu)FET開路。

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

典(dian)型值700ns/最大(da)值1.5μs的(de)關閉時間使得該器件成(cheng)為當(dang)今(jin)市場上一流的(de)器件，

   為了提(ti)供更(geng)高的(de)保(bao)護等級，這些器件中可以加入(ru)過流(liu)(liu)保(bao)護(OCP)特性。通(tong)過提(ti)供這種(zhong)額外的(de)功能(neng)模塊，充電(dian)(dian)電(dian)(dian)流(liu)(liu)或設備的(de)負載電(dian)(dian)流(liu)(liu)不會超(chao)過內部(bu)編程好的(de)限(xian)定(ding)值。為了符合USB規范，而瞬態電(dian)(dian)流(liu)(liu)又可能(neng)高達550mA，因此電(dian)(dian)流(liu)(liu)極限(xian)必須高于這個值。這個功能(neng)集成在(zai)更(geng)先進(jin)的(de)型(xing)號(hao)NCP361之中。這兩款(kuan)產(chan)品(pin)都提(ti)供熱保(bao)護功能(neng)。

解決方案

   考慮(lv)到USB廣泛(fan)應用于兩個器(qi)件(jian)之間的通信，而(er)且(qie)從現(xian)在起，還要為鋰離子電(dian)池(chi)充電(dian)，平(ping)臺(tai)制造商都(dou)會在設計(ji)中集成USB連接器(qi)。安(an)森美(mei)半導體公司提供的NCP360和(he)NCP361能夠同時提高電(dian)子IC和(he)最終用戶的安(an)全(quan)性。這些(xie)完全(quan)集成的解決方案符合USB1.0和(he)2.0版規范，電(dian)流消耗非常低，而(er)且(qie)具有實際市場上(shang)最快的關閉時間性能。

   為(wei)了覆蓋滿(man)足中國新充電標準的大多(duo)(duo)數應用要求，安森美半導體公(gong)司提供了多(duo)(duo)種不(bu)同的OVLO型號(hao)。其OVP或OVP+OCP版本可以提供μDFN和TSOP5兩(liang)種不(bu)同封裝，后者在解決方(fang)(fang)案成本和熱性(xing)(xing)能方(fang)(fang)面具(ju)有(you)折衷性(xing)(xing)能。