如何通過USB連接器保護電源和充電器件的安全

   如(ru)今大多數電(dian)子設備都(dou)有USB連接器(qi)，它們通過(guo)USB實(shi)現數據交換和/或(huo)對便攜(xie)設備的電(dian)池充電(dian)。雖(sui)然USB這種通信協議(yi)已(yi)經相當(dang)普及，但當(dang)目(mu)標應用需要通過(guo)USB連接為設備供(gong)電(dian)時，必須注意一(yi)些安全防范措施。

電氣特性和防護措施

   通過USB連接的(de)下游系統可以由多種(zhong)類型的(de)主機來(lai)供電(dian)。

  在(zai)連接個人計算機(ji)(PC)等標準(zhun)USB源(yuan)設(she)備時，連接器上將(jiang)包(bao)含Vbus電(dian)(dian)(dian)源(yuan)端子和數據端子(D+和D-)。Vbus電(dian)(dian)(dian)壓值由USB規范(fan)明確定義(yi)：額定電(dian)(dian)(dian)壓為5V，最高(gao)(gao)可(ke)達5.25V。事實上，較長的線纜(lan)會因串(chuan)連電(dian)(dian)(dian)感產生(sheng)振(zhen)(zhen)鈴現象。這個最大振(zhen)(zhen)鈴紋波(bo)電(dian)(dian)(dian)壓取決(jue)于移動設(she)備的輸入(ru)電(dian)(dian)(dian)容(rong)和寄生(sheng)電(dian)(dian)(dian)感。售后非原配(pei)件往(wang)往(wang)具有(you)(you)較低的性能，電(dian)(dian)(dian)纜(lan)也會有(you)(you)較高(gao)(gao)的寄生(sheng)參(can)數，這些(xie)因素對連接的外設(she)可(ke)能造成潛在(zai)危害。

   通(tong)常Vbus引(yin)腳連(lian)(lian)接(jie)至收發器(qi)的電源輸(shu)入(ru)(ru)引(yin)腳(有時(shi)會通(tong)過最(zui)(zui)大額定電壓(ya)為6V的低(di)壓(ya)降穩壓(ya)器(qi)進(jin)行連(lian)(lian)接(jie))，在Vbus電源用于對鋰離子電池(chi)充(chong)電時(shi)(大多數情況下最(zui)(zui)大額定電壓(ya)為7V或10V)也可(ke)以連(lian)(lian)接(jie)至充(chong)電器(qi)的輸(shu)入(ru)(ru)引(yin)腳。

   但用戶也(ye)可以連接外設為(wei)內置鋰(li)離(li)子電(dian)池(chi)充電(dian),然(ran)后使(shi)用市場(chang)上出售的墻(qiang)適配器。在這(zhe)個案例(li)中，僅(jin)有Vbus引腳(jiao)和GND被(bei)連接，而D+和D-被(bei)短路。

   根據(ju)這種適(shi)配器(qi)的(de)質(zhi)量和復雜程(cheng)度，其輸(shu)出電(dian)壓可能(neng)發生遠(yuan)遠(yuan)超過制造(zao)目(mu)前小型便攜式產品所(suo)需敏感電(dian)子元件最大額定(ding)值的(de)輸(shu)出瞬態現象。

   對一些(xie)交(jiao)流(liu)-直流(liu)電源的(de)基準測試顯示出不良(liang)的(de)線(xian)路穩(wen)壓(ya)性能，而在存在光耦反饋(kui)(開關充電器)損耗的(de)情況下更糟糕，輸出電壓(ya)可能升高(gao)至20V。

   通(tong)過(guo)在設備(bei)前面(mian)設計過(guo)壓保(bao)護(hu)(OVP)器(qi)件，浪涌效(xiao)應(ying)和主機不盡(jin)責現(xian)象可(ke)以被(bei)消(xiao)除。

如何設計

   USB電流能力在正常模式下是100mA(未配置模式)，而在配置模式下可達500mA。為(wei)了節(jie)省功(gong)率，在沒有數據流量時(shi)USB將進入(ru)暫停模式。當器(qi)件(jian)處在暫停模式，而且又(you)是總(zong)線供電的(de)話，器(qi)件(jian)將不能從總(zong)線抽(chou)取超過500μA的(de)電流。一(yi)個主機能夠發出(chu)恢復(fu)指令(ling)或(huo)遠程喚(huan)醒指令(ling)來激活另一(yi)個待(dai)機狀(zhuang)態(tai)的(de)主機。上述要(yao)點(dian)表明OVP電路需要(yao)滿(man)足不同指標(biao)要(yao)求，如電流能力、散熱、欠(qian)壓和過壓保護及靜態(tai)電流消耗。

   當處在暫停模式時，與Vbus線(xian)路串連的(de)OVP器件將呈現最低的(de)電(dian)流消耗(hao)，并由(you)收發器啟動序列喚醒(xing)過程(圖(tu)2)。

   為(wei)了通過PMOS旁路(lu)元件(jian)消(xiao)除任何類(lei)型的寄生耦(ou)合電壓，必(bi)須在盡可(ke)能靠近OVP器件(jian)的地方安排一些小型輸(shu)入(ru)和(he)輸(shu)出(chu)電容(圖3)。

   輸(shu)(shu)出(chu)(chu)電容(rong)已被移除(chu)。這樣，當(dang)OVP器(qi)件(jian)輸(shu)(shu)入(ru)端出(chu)(chu)現快速輸(shu)(shu)入(ru)瞬(shun)態(tai)現象時，旁路元(yuan)件(jian)將保持(chi)開路。這時可以在輸(shu)(shu)出(chu)(chu)端觀察到過沖，這個過沖可能(neng)會損(sun)壞連接(jie)至OVP輸(shu)(shu)出(chu)(chu)端的電子元(yuan)器(qi)件(jian)。為了解決(jue)這個問題，必須在輸(shu)(shu)出(chu)(chu)引腳上連接(jie)一(yi)個輸(shu)(shu)出(chu)(chu)電容(rong)，并盡量靠近OVP器(qi)件(jian)擺放。

由于源極和漏極之間存在PMOS寄生電(dian)(dian)(dian)容(rong)，在輸入脈沖期(qi)間正(zheng)電(dian)(dian)(dian)壓電(dian)(dian)(dian)平將被傳遞，從而在PMOS驅動(dong)器喚醒(xing)期(qi)間維持(chi)一(yi)個比門(men)電(dian)(dian)(dian)位更低的(de)(de)電(dian)(dian)(dian)壓(電(dian)(dian)(dian)容(rong)填充)。1個1μF的(de)(de)陶瓷電(dian)(dian)(dian)容(rong)足以解決這個問題。見圖3中的(de)(de)案例1。

另一個要點是過(guo)壓(ya)閥值的(de)(de)(de)(de)定(ding)義。過(guo)壓(ya)鎖定(ding)(OVLO)和(he)欠壓(ya)鎖定(ding)(UVLO)閥值由發生(sheng)欠壓(ya)或過(guo)壓(ya)事件時切斷(duan)旁路元件的(de)(de)(de)(de)內(nei)部(bu)電(dian)容所確(que)定(ding)。OVLO電(dian)平必須高于Vbus最大(da)(da)工作輸出電(dian)壓(ya)(5.25V)加上比較(jiao)器的(de)(de)(de)(de)滯后電(dian)壓(ya)。同樣，UVLO參(can)數的(de)(de)(de)(de)最大(da)(da)值必須低(di)于系(xi)統中(zhong)第(di)一個元件的(de)(de)(de)(de)最大(da)(da)額定(ding)電(dian)壓(ya)。通常(chang)OVLO的(de)(de)(de)(de)中(zhong)心位于5.675V，能夠有效保護(hu)下游(you)系(xi)統，使其承受6V的(de)(de)(de)(de)電(dian)壓(ya)，而(er)Vusb紋波電(dian)壓(ya)可達5.25V。此前的(de)(de)(de)(de)文章(參(can)考資(zi)料1)中(zhong)提(ti)供了更詳細的(de)(de)(de)(de)資(zi)料，也提(ti)供了與墻適配器電(dian)源兼容的(de)(de)(de)(de)OVLO和(he)UVLO參(can)數值。

在設(she)計OVP部(bu)分時(shi)，鑒于驅動關鍵電(dian)流的內部(bu)MOSFET的原因(yin)，不應(ying)忽(hu)視散(san)熱(re)問題。大家已經明白為什么(me)建(jian)議這(zhe)類保(bao)護使用(yong)(yong)PMOS(低(di)電(dian)流消耗)，而且由于PFet比NFet擁有(you)更高的導通阻抗(Rdson)，必(bi)須優化熱(re)傳遞，以(yi)避(bi)免熱(re)能損壞。根(gen)據(ju)應(ying)用(yong)(yong)所需(xu)的功率，建(jian)議采用(yong)(yong)具有(you)裸露(lu)焊(han)盤的封裝(zhuang)(如NCP360 μDFN)。器件(jian)數(shu)據(ju)手冊中(zhong)提(ti)供了RθJA圖(tu)表，也可以(yi)聯(lian)系(xi)安(an)森美半導體銷售代表了解進一步信(xin)息。如今大多(duo)數(shu)電(dian)子設(she)備(bei)(bei)都(dou)有(you)USB連(lian)接(jie)器，它們通過USB實(shi)現數(shu)據(ju)交換(huan)和/或對便攜設(she)備(bei)(bei)的電(dian)池充電(dian)。雖然USB這(zhe)種通信(xin)協議已經相當普及，但當目標應(ying)用(yong)(yong)需(xu)要通過USB連(lian)接(jie)為設(she)備(bei)(bei)供電(dian)時(shi)，必(bi)須注(zhu)意一些安(an)全防范措施。

電氣特性和防護措施

通過USB連接的下(xia)游系(xi)統可(ke)以由多種(zhong)類(lei)型的主機來供電。

在連接個人計算機(PC)等標準(zhun)USB源設(she)備時，連接器上將包含Vbus電(dian)(dian)源端(duan)子(zi)(zi)和(he)數(shu)據(ju)端(duan)子(zi)(zi)(D+和(he)D-)。Vbus電(dian)(dian)壓(ya)值由USB規范明確(que)定義(yi)：額(e)定電(dian)(dian)壓(ya)為(wei)5V，最高可達5.25V。事實(shi)上，較長的線纜會因(yin)(yin)串連電(dian)(dian)感產生(sheng)(sheng)振鈴(ling)現象。這(zhe)個最大振鈴(ling)紋波電(dian)(dian)壓(ya)取(qu)決于移(yi)動設(she)備的輸入電(dian)(dian)容和(he)寄(ji)生(sheng)(sheng)電(dian)(dian)感。售后非原配(pei)件往往具有(you)較低的性(xing)能(neng)，電(dian)(dian)纜也會有(you)較高的寄(ji)生(sheng)(sheng)參數(shu)，這(zhe)些因(yin)(yin)素對連接的外設(she)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(dan)用戶也可以連(lian)(lian)接外設為內置鋰(li)離(li)子電(dian)池充電(dian)(如(ru)圖1的墻適配(pei)器(qi)部分)，然后使用市場(chang)上出售的墻適配(pei)器(qi)。在(zai)這個案例中，僅有(you)Vbus引腳(jiao)和GND被連(lian)(lian)接，而D+和D-被短路。

   根據(ju)這(zhe)種適配器(qi)的質量和復(fu)雜程度，其輸(shu)出(chu)電(dian)壓可(ke)能發生遠遠超(chao)過(guo)制(zhi)造目前小型(xing)便攜(xie)式產品所(suo)需敏感電(dian)子元件最大額(e)定值的輸(shu)出(chu)瞬態現象。

   對一些(xie)交流(liu)(liu)-直流(liu)(liu)電(dian)(dian)源的基準測(ce)試顯示出不良的線路(lu)穩壓性(xing)能(neng)，而在存在光耦反饋(kui)(開關充電(dian)(dian)器)損耗的情(qing)況下更糟糕，輸出電(dian)(dian)壓可能(neng)升高至(zhi)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(he)主機不盡責現象可(ke)以被(bei)消除。

如何設計

   USB電(dian)流(liu)能(neng)力在正常(chang)模(mo)式下是(shi)100mA(未(wei)配(pei)置模(mo)式)，而在配(pei)置模(mo)式下可達500mA。為了節(jie)省功率，在沒有數據流(liu)量時USB將進入暫停模(mo)式。當器件處在暫停模(mo)式，而且又是(shi)總(zong)線供電(dian)的話，器件將不能(neng)從(cong)總(zong)線抽取超過(guo)500μA的電(dian)流(liu)。一(yi)個主機能(neng)夠(gou)發出恢復指(zhi)令或遠程喚醒指(zhi)令來激活另一(yi)個待(dai)機狀態(tai)的主機。上(shang)述要(yao)點(dian)表(biao)明OVP電(dian)路需要(yao)滿足不同指(zhi)標要(yao)求，如(ru)電(dian)流(liu)能(neng)力、散熱、欠壓和過(guo)壓保護及(ji)靜態(tai)電(dian)流(liu)消耗。

   當處在暫停模(mo)式時，與Vbus線(xian)路串連(lian)的OVP器(qi)件(jian)將(jiang)呈現最低的電流消耗，并由收發器(qi)啟動序列喚醒過程

    采(cai)用的是PMOS驅動器(qi)，因此電流消(xiao)耗(hao)極(ji)低。為(wei)了通過(guo)PMOS旁路元件消(xiao)除任何類型的寄生耦合電壓，必須(xu)在盡(jin)可能靠近OVP器(qi)件的地方安(an)排一些(xie)小型輸入和(he)輸出電容(圖3)。

   當(dang)OVP器(qi)件(jian)輸(shu)入端出現(xian)快速輸(shu)入瞬(shun)態(tai)現(xian)象時(shi)，旁路元(yuan)件(jian)將保持開(kai)路。這時(shi)可以在輸(shu)出端觀(guan)察(cha)到(dao)過(guo)沖，這個過(guo)沖可能(neng)會損壞連(lian)接(jie)至(zhi)OVP輸(shu)出端的電(dian)子元(yuan)器(qi)件(jian)。為了解決這個問題(ti)，必須在輸(shu)出引腳上連(lian)接(jie)一個輸(shu)出電(dian)容，并盡(jin)量靠(kao)近OVP器(qi)件(jian)擺放。

由于源極和漏極之間(jian)存在PMOS寄生電容，在輸入(ru)脈沖期(qi)間(jian)正電壓(ya)電平將被(bei)傳遞，從而在PMOS驅動器喚(huan)醒期(qi)間(jian)維持一個比門(men)電位更低的電壓(ya)(電容填充(chong))。1個1μF的陶瓷(ci)電容足(zu)以(yi)解決這個問(wen)題。見圖3中的案例(li)1。

另(ling)一(yi)個要點是過(guo)壓(ya)(ya)閥值(zhi)的(de)(de)定(ding)義。過(guo)壓(ya)(ya)鎖(suo)定(ding)(OVLO)和欠(qian)壓(ya)(ya)鎖(suo)定(ding)(UVLO)閥值(zhi)由發生欠(qian)壓(ya)(ya)或(huo)過(guo)壓(ya)(ya)事件時(shi)切斷(duan)旁路元件的(de)(de)內部(bu)電(dian)(dian)(dian)(dian)容所確定(ding)。OVLO電(dian)(dian)(dian)(dian)平必須(xu)高于(yu)Vbus最大工作輸出電(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)(5.25V)加(jia)上(shang)比(bi)較(jiao)器的(de)(de)滯后電(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)。同(tong)樣，UVLO參(can)數的(de)(de)最大值(zhi)必須(xu)低于(yu)系統中(zhong)第一(yi)個元件的(de)(de)最大額定(ding)電(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)。通(tong)常OVLO的(de)(de)中(zhong)心(xin)位于(yu)5.675V，能(neng)夠有效保(bao)護下游系統，使(shi)其承受6V的(de)(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)，而Vusb紋波電(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)可達(da)5.25V。此前的(de)(de)文章(參(can)考資(zi)(zi)料1)中(zhong)提(ti)供(gong)了更詳細的(de)(de)資(zi)(zi)料，也提(ti)供(gong)了與墻適配器電(dian)(dian)(dian)(dian)源(yuan)兼容的(de)(de)OVLO和UVLO參(can)數值(zhi)。

在(zai)設計OVP部(bu)分(fen)時(shi)，鑒于(yu)驅動關鍵電流的內部(bu)MOSFET的原因(yin)，不應忽視散(san)熱(re)(re)問題。大家已(yi)經明白為什么(me)建(jian)議(yi)這類保(bao)護使用PMOS(低電流消耗)，而且由于(yu)PFet比NFet擁有(you)更(geng)高(gao)的導通阻抗(kang)(Rdson)，必須優化熱(re)(re)傳遞，以(yi)避免熱(re)(re)能(neng)損壞(huai)。根據應用所需(xu)的功率，建(jian)議(yi)采(cai)用具有(you)裸露焊(han)盤的封裝(如NCP360 μDFN)。器件數據手冊(ce)中提供了(le)RθJA圖表，也可以(yi)聯(lian)系安森美半導體銷售代表了(le)解(jie)進一(yi)步信息。

幾種不同的保護等級

正(zheng)如“電氣(qi)(qi)特(te)性(xing)和防護措(cuo)施”小節所(suo)述那樣，浪涌(yong)電流是造成(cheng)器(qi)(qi)件(jian)電氣(qi)(qi)損壞的(de)根源之一，需(xu)要采用(yong)OVP器(qi)(qi)件(jian)來克服這一問題(ti)。為了(le)避免(mian)任(ren)何類型(xing)的(de)浪涌(yong)行為，OVP器(qi)(qi)件(jian)中(zhong)通(tong)常(chang)都(dou)包(bao)含了(le)軟啟動順序(xu)。這個(ge)特(te)殊順序(xu)貫穿于PFet門(men)的(de)逐漸上升(sheng)過(guo)程中(zhong)，見圖4。

   即便出現Vusb或墻(qiang)適配器快速輸出上升(熱(re)插(cha))，在器件的(de)Vout端(duan)也觀察不到電壓尖峰，這得(de)益于4ms的(de)軟啟動控制(zhi)。這種保護的(de)最關鍵特性是能以最快速度檢測到任何過壓情況，然后將內部FET開路。

    OVP器件的關(guan)閉時間(jian)從突(tu)破OVLO閥值開(kai)始(shi)算到Vout引腳下降為止。NCP360盡管消耗電流極低，但(dan)具有極快(kuai)的關(guan)閉時間(jian)。

典型(xing)值700ns/最大值1.5μs的(de)關(guan)閉時間使得該器件(jian)成為當今市場上一(yi)流的(de)器件(jian)，

   為(wei)了提供更(geng)高的(de)保護(hu)(hu)(hu)等級，這(zhe)些器(qi)件中可以加入過流(liu)(liu)保護(hu)(hu)(hu)(OCP)特性。通過提供這(zhe)種額外的(de)功(gong)能(neng)模塊，充電(dian)電(dian)流(liu)(liu)或(huo)設備的(de)負載(zai)電(dian)流(liu)(liu)不會超(chao)過內(nei)部編程好的(de)限定值。為(wei)了符合USB規(gui)范，而瞬態電(dian)流(liu)(liu)又(you)可能(neng)高達550mA，因(yin)此電(dian)流(liu)(liu)極限必須高于這(zhe)個值。這(zhe)個功(gong)能(neng)集成在更(geng)先(xian)進(jin)的(de)型號(hao)NCP361之中。這(zhe)兩款(kuan)產品都提供熱保護(hu)(hu)(hu)功(gong)能(neng)。

解決方案

   考(kao)慮到USB廣泛(fan)應用于兩(liang)個器件(jian)之間的(de)通信，而且從現在起(qi)，還要為鋰離子電(dian)池充(chong)電(dian)，平臺制造商都會在設計中集成USB連(lian)接器。安森美半導體公司提供的(de)NCP360和(he)NCP361能夠同時提高電(dian)子IC和(he)最終用戶的(de)安全性。這(zhe)些完全集成的(de)解決方案符(fu)合USB1.0和(he)2.0版規范，電(dian)流消耗非常低，而且具有實(shi)際市場(chang)上(shang)最快的(de)關閉時間性能。

   為(wei)了(le)覆蓋滿足中國新充電標(biao)準(zhun)的(de)大多數(shu)應用要求，安森美半(ban)導體公司提(ti)供(gong)了(le)多種(zhong)(zhong)不(bu)同(tong)的(de)OVLO型(xing)號。其OVP或OVP+OCP版本(ben)可以(yi)提(ti)供(gong)μDFN和TSOP5兩種(zhong)(zhong)不(bu)同(tong)封(feng)裝(zhuang)，后者在解決方案成(cheng)本(ben)和熱性能方面具有折(zhe)衷性能。