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)子設(she)備都有(you)USB連接器(qi)，它們通(tong)過(guo)(guo)USB實現(xian)數(shu)據(ju)交換(huan)和/或(huo)對便攜設(she)備的電(dian)池(chi)充電(dian)。雖然USB這種(zhong)通(tong)信協議已經相當(dang)普及，但當(dang)目(mu)標應(ying)用需要(yao)通(tong)過(guo)(guo)USB連接為設(she)備供電(dian)時(shi)，必須注意一些安全防范措施(shi)。
電氣特性和防護措施
通(tong)過USB連接的下游系(xi)統可以(yi)由多種類型的主(zhu)機來供電。
在連(lian)接個人計算機(PC)等標準USB源設(she)備時，連(lian)接器(qi)上(shang)將(jiang)包含Vbus電(dian)(dian)(dian)源端子(zi)和(he)(he)數據(ju)端子(zi)(D+和(he)(he)D-)。Vbus電(dian)(dian)(dian)壓(ya)值(zhi)由(you)USB規范明確定(ding)義：額定(ding)電(dian)(dian)(dian)壓(ya)為5V，最(zui)高(gao)可達5.25V。事實上(shang)，較長(chang)的線纜會(hui)因串連(lian)電(dian)(dian)(dian)感產生振鈴(ling)現象(xiang)。這(zhe)個最(zui)大振鈴(ling)紋波(bo)電(dian)(dian)(dian)壓(ya)取決于移動(dong)設(she)備的輸(shu)入電(dian)(dian)(dian)容(rong)和(he)(he)寄(ji)生電(dian)(dian)(dian)感。售后非(fei)原配件往往具(ju)有(you)較低的性(xing)能(neng)，電(dian)(dian)(dian)纜也會(hui)有(you)較高(gao)的寄(ji)生參數，這(zhe)些因素(su)對連(lian)接的外設(she)可能(neng)造(zao)成潛在危害。
通(tong)常(chang)Vbus引(yin)腳連(lian)(lian)接(jie)至收發器(qi)的(de)(de)電(dian)源(yuan)輸(shu)入引(yin)腳(有時會(hui)通(tong)過最大(da)額定電(dian)壓(ya)為6V的(de)(de)低壓(ya)降(jiang)穩壓(ya)器(qi)進(jin)行連(lian)(lian)接(jie))，在Vbus電(dian)源(yuan)用(yong)于對鋰(li)離子電(dian)池充電(dian)時(大(da)多數情(qing)況下最大(da)額定電(dian)壓(ya)為7V或(huo)10V)也可(ke)以連(lian)(lian)接(jie)至充電(dian)器(qi)的(de)(de)輸(shu)入引(yin)腳。
但用戶也可(ke)以連接(jie)外設為(wei)內置鋰(li)離子電(dian)池充電(dian),然后使用市場上出售的墻適(shi)配器。在這個案(an)例(li)中，僅有Vbus引腳和(he)(he)GND被連接(jie)，而D+和(he)(he)D-被短路。
根(gen)據(ju)這種適配器的質量和復雜程度，其輸(shu)出(chu)電壓可能發(fa)生(sheng)遠遠超過(guo)制(zhi)造(zao)目(mu)前(qian)小型便攜式產品所需敏(min)感電子元件(jian)最大額定值的輸(shu)出(chu)瞬態(tai)現象。
對(dui)一些(xie)交流-直流電(dian)(dian)源的基準(zhun)測試顯示出不(bu)良(liang)的線(xian)路穩壓性能(neng)，而(er)在存在光耦反饋(開(kai)關(guan)充電(dian)(dian)器)損耗的情況下更糟糕(gao)，輸出電(dian)(dian)壓可(ke)能(neng)升高至20V。
通過在設(she)備前面設(she)計過壓保護(OVP)器件(jian)，浪涌效應和主機不盡責(ze)現象(xiang)可以被消除。
如何設計
USB電(dian)流(liu)(liu)能(neng)(neng)(neng)力在正(zheng)常模(mo)式(shi)下是100mA(未(wei)配(pei)置模(mo)式(shi))，而(er)在配(pei)置模(mo)式(shi)下可(ke)達500mA。為了節省功率，在沒有數據流(liu)(liu)量時(shi)USB將進入暫(zan)停模(mo)式(shi)。當器件(jian)處(chu)在暫(zan)停模(mo)式(shi)，而(er)且又是總(zong)線供電(dian)的話，器件(jian)將不(bu)(bu)能(neng)(neng)(neng)從總(zong)線抽取超(chao)過(guo)500μA的電(dian)流(liu)(liu)。一個主機能(neng)(neng)(neng)夠發出恢復指(zhi)(zhi)令(ling)或遠程喚(huan)醒指(zhi)(zhi)令(ling)來激活另一個待機狀(zhuang)態的主機。上述要點表明OVP電(dian)路需要滿(man)足不(bu)(bu)同指(zhi)(zhi)標要求，如電(dian)流(liu)(liu)能(neng)(neng)(neng)力、散熱、欠壓(ya)和過(guo)壓(ya)保護(hu)及靜(jing)態電(dian)流(liu)(liu)消(xiao)耗。
當(dang)處在暫停(ting)模(mo)式時，與Vbus線路串連的OVP器(qi)件將(jiang)呈現最低(di)的電(dian)流消耗，并(bing)由收發器(qi)啟動序列喚醒過程(cheng)(圖2)。
為了通過PMOS旁路元件(jian)消除任何類型的寄生耦合電壓(ya)，必須在盡可能靠近OVP器件(jian)的地方(fang)安排一(yi)些小型輸(shu)入和輸(shu)出電容(圖3)。
輸(shu)(shu)出(chu)(chu)(chu)電(dian)(dian)容(rong)已被移除。這(zhe)樣，當OVP器件輸(shu)(shu)入端(duan)出(chu)(chu)(chu)現快速(su)輸(shu)(shu)入瞬態現象時，旁路元件將保持開路。這(zhe)時可(ke)以在輸(shu)(shu)出(chu)(chu)(chu)端(duan)觀(guan)察到過沖，這(zhe)個過沖可(ke)能(neng)會(hui)損壞連(lian)接(jie)(jie)至OVP輸(shu)(shu)出(chu)(chu)(chu)端(duan)的電(dian)(dian)子(zi)元器件。為了(le)解決這(zhe)個問題，必須(xu)在輸(shu)(shu)出(chu)(chu)(chu)引腳上連(lian)接(jie)(jie)一個輸(shu)(shu)出(chu)(chu)(chu)電(dian)(dian)容(rong)，并盡(jin)量靠近OVP器件擺放。
由于源極(ji)(ji)和漏極(ji)(ji)之間(jian)(jian)存在(zai)PMOS寄生電(dian)(dian)容，在(zai)輸(shu)入(ru)脈沖(chong)期間(jian)(jian)正(zheng)電(dian)(dian)壓電(dian)(dian)平將被傳遞，從而(er)在(zai)PMOS驅(qu)動(dong)器喚醒期間(jian)(jian)維持一個(ge)比門電(dian)(dian)位(wei)更低的(de)(de)電(dian)(dian)壓(電(dian)(dian)容填充)。1個(ge)1μF的(de)(de)陶瓷電(dian)(dian)容足以解決這(zhe)個(ge)問題。見圖3中的(de)(de)案例1。
另(ling)一個(ge)要點是過壓(ya)(ya)閥值(zhi)的(de)(de)(de)定(ding)義。過壓(ya)(ya)鎖定(ding)(OVLO)和欠壓(ya)(ya)鎖定(ding)(UVLO)閥值(zhi)由發生欠壓(ya)(ya)或過壓(ya)(ya)事件(jian)(jian)時切斷旁路(lu)元(yuan)件(jian)(jian)的(de)(de)(de)內部電容所確定(ding)。OVLO電平必(bi)須(xu)高(gao)于(yu)(yu)Vbus最大(da)工(gong)作輸出電壓(ya)(ya)(5.25V)加上比(bi)較器的(de)(de)(de)滯后電壓(ya)(ya)。同(tong)樣，UVLO參(can)數的(de)(de)(de)最大(da)值(zhi)必(bi)須(xu)低于(yu)(yu)系統中(zhong)第一個(ge)元(yuan)件(jian)(jian)的(de)(de)(de)最大(da)額定(ding)電壓(ya)(ya)。通(tong)常OVLO的(de)(de)(de)中(zhong)心位于(yu)(yu)5.675V，能夠有效保護下游系統，使其承受6V的(de)(de)(de)電壓(ya)(ya)，而Vusb紋波電壓(ya)(ya)可達(da)5.25V。此(ci)前的(de)(de)(de)文章(參(can)考資料(liao)1)中(zhong)提(ti)供了(le)更(geng)詳細(xi)的(de)(de)(de)資料(liao)，也提(ti)供了(le)與墻適配器電源兼容的(de)(de)(de)OVLO和UVLO參(can)數值(zhi)。
在設(she)(she)計(ji)OVP部分(fen)時(shi)，鑒于驅動關鍵電(dian)(dian)流的(de)內部MOSFET的(de)原因，不應忽視散熱問題。大家(jia)已經明白為(wei)什么建議這(zhe)類保護(hu)使用PMOS(低電(dian)(dian)流消耗)，而且由(you)于PFet比NFet擁有更高(gao)的(de)導通阻抗(Rdson)，必須優(you)化(hua)熱傳(chuan)遞，以避免熱能損壞。根(gen)據(ju)應用所需的(de)功率，建議采(cai)用具(ju)有裸露焊盤的(de)封裝(如NCP360 μDFN)。器件數據(ju)手(shou)冊中提供了(le)RθJA圖(tu)表(biao)，也可以聯(lian)系(xi)安(an)森美(mei)半導體銷(xiao)售代表(biao)了(le)解進一步信息。如今大多數電(dian)(dian)子設(she)(she)備(bei)都有USB連(lian)接器，它們通過USB實現數據(ju)交換和/或對便攜(xie)設(she)(she)備(bei)的(de)電(dian)(dian)池充電(dian)(dian)。雖然USB這(zhe)種通信協(xie)議已經相當普(pu)及，但當目標應用需要(yao)通過USB連(lian)接為(wei)設(she)(she)備(bei)供電(dian)(dian)時(shi)，必須注意一些(xie)安(an)全(quan)防(fang)范措施。
電氣特性和防護措施
通(tong)過USB連(lian)接的(de)下(xia)游系統可以由(you)多種類型的(de)主(zhu)機(ji)來供電。
在(zai)連(lian)接個人(ren)計算(suan)機(ji)(PC)等標準USB源設(she)(she)備時(shi)，連(lian)接器上將包含Vbus電源端子和數據端子(D+和D-)。Vbus電壓值由USB規范明確定義：額定電壓為5V，最(zui)高可達5.25V。事實(shi)上，較(jiao)長的(de)(de)線纜會因串連(lian)電感產生振(zhen)鈴(ling)(ling)現象。這個最(zui)大振(zhen)鈴(ling)(ling)紋波電壓取決于移動設(she)(she)備的(de)(de)輸入電容和寄生電感。售后非原配件(jian)往往具有較(jiao)低的(de)(de)性能，電纜也會有較(jiao)高的(de)(de)寄生參(can)數，這些因素對連(lian)接的(de)(de)外設(she)(she)可能造成潛在(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。
但用戶(hu)也可以連(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)配器部分(fen))，然(ran)后(hou)使(shi)用市場上出售的(de)墻(qiang)適(shi)配器。在這(zhe)個案例中，僅有Vbus引腳和GND被連(lian)接(jie)，而D+和D-被短路(lu)。
根(gen)據這種適配(pei)器的(de)質量和復雜程度，其輸出(chu)電壓可能(neng)發(fa)生(sheng)遠(yuan)遠(yuan)超過制造目前小型便攜式產品所需敏感電子元(yuan)件最大額定值的(de)輸出(chu)瞬態(tai)現象。
對(dui)一些交流(liu)-直流(liu)電(dian)源(yuan)的基準測(ce)試顯示出不良的線路穩壓(ya)性能(neng)，而在(zai)存在(zai)光耦反饋(開關(guan)充電(dian)器)損耗的情況下(xia)更(geng)糟糕(gao)，輸出電(dian)壓(ya)可能(neng)升高至20V。
通過在設備(bei)前面(mian)設計過壓保護(OVP)器件(jian)，浪涌(yong)效(xiao)應和主機不盡責現(xian)象可以被消除。
如何設計
USB電(dian)流(liu)(liu)能力在(zai)(zai)正常模式(shi)下(xia)是100mA(未配置模式(shi))，而在(zai)(zai)配置模式(shi)下(xia)可(ke)達500mA。為了(le)節省功率，在(zai)(zai)沒有數據流(liu)(liu)量時USB將(jiang)進入(ru)暫停模式(shi)。當器(qi)件(jian)處在(zai)(zai)暫停模式(shi)，而且又是總(zong)線供電(dian)的(de)(de)話，器(qi)件(jian)將(jiang)不能從(cong)總(zong)線抽(chou)取超過500μA的(de)(de)電(dian)流(liu)(liu)。一個主(zhu)機(ji)能夠(gou)發出恢復(fu)指(zhi)令或遠程喚(huan)醒指(zhi)令來激活(huo)另一個待機(ji)狀態(tai)(tai)的(de)(de)主(zhu)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(qiu)，如(ru)電(dian)流(liu)(liu)能力、散熱、欠壓和過壓保護及靜態(tai)(tai)電(dian)流(liu)(liu)消(xiao)耗(hao)。
當(dang)處在(zai)暫停模式時(shi)，與Vbus線路串連(lian)的OVP器(qi)件將呈現最(zui)低的電(dian)流消耗，并由收發器(qi)啟(qi)動序(xu)列(lie)喚(huan)醒(xing)過程(cheng)
采用的是PMOS驅動器，因(yin)此電(dian)流消耗極低。為了通過PMOS旁路元件消除任(ren)何類(lei)型(xing)的寄(ji)生耦合電(dian)壓，必(bi)須在盡(jin)可能靠近OVP器件的地方安排一(yi)些小(xiao)型(xing)輸入和(he)輸出(chu)電(dian)容(rong)(圖(tu)3)。
當OVP器件(jian)輸入(ru)端(duan)(duan)出現快速(su)輸入(ru)瞬(shun)態現象時，旁路元件(jian)將(jiang)保持開路。這時可(ke)(ke)以在(zai)輸出端(duan)(duan)觀察到過(guo)沖(chong)，這個過(guo)沖(chong)可(ke)(ke)能(neng)會損壞(huai)連接至OVP輸出端(duan)(duan)的電子元器件(jian)。為了(le)解決這個問(wen)題(ti)，必須(xu)在(zai)輸出引腳上連接一個輸出電容，并盡量靠近OVP器件(jian)擺放。
由于源極和(he)漏極之間存在(zai)PMOS寄生電(dian)容，在(zai)輸(shu)入脈沖期間正電(dian)壓(ya)電(dian)平將(jiang)被傳遞，從而在(zai)PMOS驅動器喚醒期間維持一個比門電(dian)位(wei)更低的(de)電(dian)壓(ya)(電(dian)容填(tian)充)。1個1μF的(de)陶(tao)瓷電(dian)容足以(yi)解(jie)決這個問題。見圖3中的(de)案例1。
另一個要點是過(guo)(guo)壓(ya)(ya)閥值(zhi)(zhi)的(de)(de)定(ding)(ding)義。過(guo)(guo)壓(ya)(ya)鎖(suo)(suo)定(ding)(ding)(OVLO)和欠(qian)(qian)壓(ya)(ya)鎖(suo)(suo)定(ding)(ding)(UVLO)閥值(zhi)(zhi)由發生(sheng)欠(qian)(qian)壓(ya)(ya)或過(guo)(guo)壓(ya)(ya)事件時切斷旁路元件的(de)(de)內部電(dian)(dian)容所(suo)確定(ding)(ding)。OVLO電(dian)(dian)平必須高(gao)于(yu)(yu)Vbus最大(da)(da)工(gong)作輸出(chu)電(dian)(dian)壓(ya)(ya)(5.25V)加上(shang)比較器(qi)的(de)(de)滯后電(dian)(dian)壓(ya)(ya)。同樣，UVLO參數的(de)(de)最大(da)(da)值(zhi)(zhi)必須低于(yu)(yu)系統(tong)中第一個元件的(de)(de)最大(da)(da)額定(ding)(ding)電(dian)(dian)壓(ya)(ya)。通常(chang)OVLO的(de)(de)中心(xin)位于(yu)(yu)5.675V，能夠(gou)有效(xiao)保護下游系統(tong)，使(shi)其承受6V的(de)(de)電(dian)(dian)壓(ya)(ya)，而Vusb紋波電(dian)(dian)壓(ya)(ya)可達5.25V。此前的(de)(de)文章(zhang)(參考資料1)中提供(gong)了更詳細的(de)(de)資料，也提供(gong)了與墻(qiang)適(shi)配器(qi)電(dian)(dian)源(yuan)兼(jian)容的(de)(de)OVLO和UVLO參數值(zhi)(zhi)。
在設計OVP部分時，鑒于驅動關鍵電(dian)流的(de)內部MOSFET的(de)原因，不(bu)應忽視散熱問題。大(da)家已經明白為什么建(jian)議(yi)這類保(bao)護使用(yong)PMOS(低(di)電(dian)流消(xiao)耗)，而且(qie)由于PFet比(bi)NFet擁有更高的(de)導通阻抗(Rdson)，必須優化熱傳(chuan)遞，以避免熱能損壞(huai)。根(gen)據應用(yong)所需的(de)功率，建(jian)議(yi)采(cai)用(yong)具有裸露焊盤的(de)封裝(如NCP360 μDFN)。器件數據手(shou)冊中提供(gong)了(le)RθJA圖表，也可以聯系安森(sen)美半導體銷售代表了(le)解進(jin)一(yi)步信息。
幾種不同的保護等級
正(zheng)如“電氣(qi)特性和防護(hu)措施”小節所述(shu)那樣，浪(lang)涌(yong)電流是造成(cheng)器件(jian)(jian)電氣(qi)損壞的(de)(de)根源之(zhi)一，需(xu)要采用OVP器件(jian)(jian)來(lai)克服這(zhe)一問題(ti)。為了避免任何類型的(de)(de)浪(lang)涌(yong)行為，OVP器件(jian)(jian)中(zhong)通常(chang)都包含了軟啟(qi)動(dong)順序。這(zhe)個特殊順序貫穿(chuan)于PFet門的(de)(de)逐(zhu)漸上升過程中(zhong)，見圖4。
即便(bian)出現Vusb或墻適配器快速輸出上升(熱插)，在器件的Vout端也觀察不(bu)到電壓尖(jian)峰，這得益于4ms的軟(ruan)啟動(dong)控制。這種保護的最關鍵(jian)特性是能以最快速度檢測到任何過壓情況，然(ran)后將內部(bu)FET開路。
OVP器件的(de)關閉時間從突破OVLO閥值開始(shi)算(suan)到Vout引(yin)腳(jiao)下降為(wei)止。NCP360盡管消耗電流極低，但具有(you)極快的(de)關閉時間。
典(dian)型值(zhi)700ns/最大值(zhi)1.5μs的關閉時(shi)間使得該器件成為當今市(shi)場上一(yi)流(liu)的器件，
為(wei)了(le)提供(gong)更高的保護等級(ji)，這些(xie)器件中(zhong)可(ke)以(yi)加入(ru)過(guo)流保護(OCP)特性。通過(guo)提供(gong)這種額外(wai)的功能(neng)(neng)模塊，充(chong)電電流或設備的負載電流不(bu)會(hui)超(chao)過(guo)內(nei)部編程好的限定值。為(wei)了(le)符合(he)USB規范，而瞬態(tai)電流又可(ke)能(neng)(neng)高達550mA，因此電流極限必須(xu)高于這個值。這個功能(neng)(neng)集成在更先進(jin)的型號(hao)NCP361之中(zhong)。這兩款產品都提供(gong)熱保護功能(neng)(neng)。
解決方案
考(kao)慮(lv)到USB廣(guang)泛應用(yong)于(yu)兩個器(qi)件之間(jian)的(de)(de)通信，而(er)(er)且從現在起，還要為鋰離子電(dian)(dian)池充電(dian)(dian)，平臺(tai)制造商都會在設計中(zhong)集成(cheng)USB連(lian)接(jie)器(qi)。安(an)森美(mei)半導體公司提(ti)供的(de)(de)NCP360和(he)NCP361能(neng)夠同時(shi)提(ti)高電(dian)(dian)子IC和(he)最終用(yong)戶的(de)(de)安(an)全性。這些(xie)完全集成(cheng)的(de)(de)解決方案符合USB1.0和(he)2.0版規(gui)范(fan)，電(dian)(dian)流消耗非常低，而(er)(er)且具有實(shi)際市場上最快的(de)(de)關閉時(shi)間(jian)性能(neng)。
為了(le)覆蓋滿足中國(guo)新充(chong)電標(biao)準的(de)(de)大多(duo)數應用要(yao)求，安森(sen)美半(ban)導體公司提(ti)供(gong)了(le)多(duo)種不同(tong)的(de)(de)OVLO型號。其OVP或OVP+OCP版本(ben)可以提(ti)供(gong)μDFN和(he)(he)TSOP5兩種不同(tong)封裝，后者在(zai)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)成本(ben)和(he)(he)熱性能(neng)方(fang)面具有折衷性能(neng)。