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(dian)子(zi)設備(bei)都(dou)有USB連接器，它們通過USB實現數據交換和/或對便攜設備(bei)的電(dian)池充電(dian)。雖然USB這種(zhong)通信協議已經相當(dang)普及，但(dan)當(dang)目標應用需要通過USB連接為設備(bei)供(gong)電(dian)時(shi)，必須注(zhu)意(yi)一些安(an)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(tong)可以由多種類型的(de)主機來供(gong)電。

  在(zai)連接個(ge)人計(ji)算機(PC)等標(biao)準USB源設備(bei)時，連接器上將包(bao)含Vbus電(dian)(dian)(dian)源端(duan)(duan)子(zi)和數(shu)據端(duan)(duan)子(zi)(D+和D-)。Vbus電(dian)(dian)(dian)壓(ya)值由USB規范明確定義：額定電(dian)(dian)(dian)壓(ya)為5V，最高(gao)可達5.25V。事實上，較(jiao)長的(de)線(xian)纜(lan)會(hui)因(yin)串(chuan)連電(dian)(dian)(dian)感產生(sheng)振鈴(ling)現象。這(zhe)(zhe)個(ge)最大振鈴(ling)紋波(bo)電(dian)(dian)(dian)壓(ya)取決(jue)于移動設備(bei)的(de)輸入電(dian)(dian)(dian)容和寄生(sheng)電(dian)(dian)(dian)感。售(shou)后非原配件往往具(ju)有較(jiao)低的(de)性能(neng)(neng)，電(dian)(dian)(dian)纜(lan)也會(hui)有較(jiao)高(gao)的(de)寄生(sheng)參數(shu)，這(zhe)(zhe)些因(yin)素對(dui)連接的(de)外(wai)設可能(neng)(neng)造成潛(qian)在(zai)危害。

   通常Vbus引(yin)腳連接(jie)至(zhi)收發器的(de)電(dian)(dian)源輸入引(yin)腳(有時會通過最大額定電(dian)(dian)壓為6V的(de)低壓降穩壓器進行連接(jie))，在Vbus電(dian)(dian)源用于對(dui)鋰離(li)子電(dian)(dian)池充(chong)電(dian)(dian)時(大多數情況下最大額定電(dian)(dian)壓為7V或10V)也(ye)可以連接(jie)至(zhi)充(chong)電(dian)(dian)器的(de)輸入引(yin)腳。

   但用(yong)戶也(ye)可(ke)以連接(jie)(jie)外設(she)為內置鋰(li)離(li)子電(dian)池充電(dian),然(ran)后使(shi)用(yong)市(shi)場上(shang)出售的墻適配器。在這(zhe)個案(an)例中，僅有Vbus引腳和GND被連接(jie)(jie)，而(er)D+和D-被短路。

   根(gen)據這種適配器的(de)質(zhi)量和復雜(za)程度(du)，其輸出(chu)電壓可能發(fa)生遠遠超過制(zhi)造目前小型便攜式產品所(suo)需敏感電子元(yuan)件最大額定(ding)值的(de)輸出(chu)瞬態現象(xiang)。

   對一些交(jiao)流-直(zhi)流電源的(de)(de)基準測試顯(xian)示出(chu)不良的(de)(de)線路穩壓(ya)性能(neng)，而在存(cun)在光耦(ou)反饋(kui)(開關充電器)損耗(hao)的(de)(de)情況下更糟糕，輸(shu)出(chu)電壓(ya)可能(neng)升高至20V。

   通過在設備前面設計過壓保護(hu)(OVP)器(qi)件，浪(lang)涌效應和主(zhu)機(ji)不盡責現象可以被(bei)消除。

如何設計

   USB電(dian)流(liu)(liu)(liu)能(neng)(neng)力在正常模式(shi)(shi)下是100mA(未(wei)配(pei)(pei)置(zhi)模式(shi)(shi))，而(er)在配(pei)(pei)置(zhi)模式(shi)(shi)下可達500mA。為了節(jie)省功率(lv)，在沒有數據(ju)流(liu)(liu)(liu)量時(shi)USB將(jiang)進入暫停(ting)模式(shi)(shi)。當器(qi)件處在暫停(ting)模式(shi)(shi)，而(er)且又是總線(xian)供電(dian)的話，器(qi)件將(jiang)不(bu)(bu)能(neng)(neng)從(cong)總線(xian)抽(chou)取超過500μA的電(dian)流(liu)(liu)(liu)。一個(ge)主機能(neng)(neng)夠發出(chu)恢復指(zhi)令(ling)(ling)或(huo)遠程喚醒指(zhi)令(ling)(ling)來激活另一個(ge)待(dai)機狀(zhuang)態(tai)的主機。上述要點表明OVP電(dian)路需要滿足不(bu)(bu)同指(zhi)標(biao)要求，如電(dian)流(liu)(liu)(liu)能(neng)(neng)力、散熱、欠壓(ya)和過壓(ya)保(bao)護(hu)及(ji)靜態(tai)電(dian)流(liu)(liu)(liu)消耗。

   當處在暫停模式(shi)時，與Vbus線路串連的OVP器件將(jiang)呈現最低(di)的電流消耗，并由收(shou)發器啟動序列喚醒過程(圖(tu)2)。

   為了通過PMOS旁(pang)路元件(jian)消除(chu)任何類型(xing)的寄生(sheng)耦合(he)電(dian)壓(ya)，必須在盡可能靠近OVP器件(jian)的地方安排一(yi)些(xie)小型(xing)輸(shu)入(ru)和輸(shu)出(chu)電(dian)容(圖3)。

   輸(shu)出(chu)(chu)(chu)電容(rong)已被移(yi)除。這樣，當OVP器件(jian)(jian)輸(shu)入端(duan)出(chu)(chu)(chu)現(xian)(xian)快速輸(shu)入瞬態(tai)現(xian)(xian)象時(shi)，旁路元件(jian)(jian)將(jiang)保持開(kai)路。這時(shi)可以在輸(shu)出(chu)(chu)(chu)端(duan)觀察到(dao)過(guo)沖，這個過(guo)沖可能會損壞連接至OVP輸(shu)出(chu)(chu)(chu)端(duan)的電子元器件(jian)(jian)。為了解決這個問題，必須在輸(shu)出(chu)(chu)(chu)引(yin)腳上連接一個輸(shu)出(chu)(chu)(chu)電容(rong)，并(bing)盡量靠近OVP器件(jian)(jian)擺放。

由于源極和漏極之間(jian)存在PMOS寄生電(dian)容(rong)，在輸入脈沖期間(jian)正電(dian)壓電(dian)平(ping)將被傳遞，從而在PMOS驅動器喚醒期間(jian)維持一個(ge)比門(men)電(dian)位更低(di)的(de)(de)電(dian)壓(電(dian)容(rong)填(tian)充)。1個(ge)1μF的(de)(de)陶瓷(ci)電(dian)容(rong)足以解決這個(ge)問題。見圖3中的(de)(de)案例1。

另(ling)一(yi)個(ge)要點(dian)是過(guo)壓(ya)(ya)閥(fa)值(zhi)的(de)定(ding)(ding)義(yi)。過(guo)壓(ya)(ya)鎖定(ding)(ding)(OVLO)和(he)欠壓(ya)(ya)鎖定(ding)(ding)(UVLO)閥(fa)值(zhi)由發生欠壓(ya)(ya)或過(guo)壓(ya)(ya)事件時切斷(duan)旁路(lu)元(yuan)(yuan)件的(de)內部電容(rong)所確定(ding)(ding)。OVLO電平必須高(gao)于Vbus最(zui)大(da)工作輸出電壓(ya)(ya)(5.25V)加上比(bi)較器的(de)滯后電壓(ya)(ya)。同樣，UVLO參數的(de)最(zui)大(da)值(zhi)必須低于系統(tong)中(zhong)第一(yi)個(ge)元(yuan)(yuan)件的(de)最(zui)大(da)額定(ding)(ding)電壓(ya)(ya)。通常OVLO的(de)中(zhong)心位于5.675V，能夠有效保護下游系統(tong)，使其(qi)承受6V的(de)電壓(ya)(ya)，而Vusb紋(wen)波電壓(ya)(ya)可達5.25V。此(ci)前(qian)的(de)文章(zhang)(參考資(zi)料1)中(zhong)提(ti)供(gong)(gong)了(le)更詳細的(de)資(zi)料，也提(ti)供(gong)(gong)了(le)與墻適配器電源兼容(rong)的(de)OVLO和(he)UVLO參數值(zhi)。

在設(she)計OVP部(bu)分時，鑒于驅(qu)動關鍵電(dian)流的(de)內部(bu)MOSFET的(de)原(yuan)因，不應忽視(shi)散熱問題。大家已經明(ming)白為什(shen)么建議(yi)(yi)這類保護使用(yong)PMOS(低電(dian)流消(xiao)耗)，而且由于PFet比NFet擁有(you)(you)更高的(de)導(dao)通阻抗(Rdson)，必(bi)(bi)須優(you)化熱傳遞，以避免熱能損壞(huai)。根據應用(yong)所需(xu)(xu)的(de)功(gong)率，建議(yi)(yi)采(cai)用(yong)具有(you)(you)裸露(lu)焊盤的(de)封裝(zhuang)(如NCP360 μDFN)。器件數據手(shou)冊中提供了RθJA圖(tu)表，也可(ke)以聯系安(an)森(sen)美半導(dao)體銷售(shou)代表了解進一步信息(xi)。如今大多數電(dian)子(zi)設(she)備都有(you)(you)USB連接器，它們通過(guo)(guo)USB實現數據交換和/或(huo)對便攜設(she)備的(de)電(dian)池充電(dian)。雖然USB這種通信協議(yi)(yi)已經相當普及，但當目標應用(yong)需(xu)(xu)要(yao)通過(guo)(guo)USB連接為設(she)備供電(dian)時，必(bi)(bi)須注意一些(xie)安(an)全(quan)防(fang)范措施。

電氣特性和防護措施

通過USB連接的下游(you)系統(tong)可以(yi)由多種類型的主(zhu)機來(lai)供電。

在連(lian)(lian)接個人(ren)計算機(PC)等標準USB源(yuan)設備(bei)時，連(lian)(lian)接器上將包含(han)Vbus電(dian)(dian)源(yuan)端子和數(shu)(shu)據端子(D+和D-)。Vbus電(dian)(dian)壓(ya)值由USB規范(fan)明(ming)確定義：額定電(dian)(dian)壓(ya)為5V，最高可達5.25V。事實上，較長(chang)的(de)線纜(lan)會因串連(lian)(lian)電(dian)(dian)感(gan)產生(sheng)振(zhen)鈴現象(xiang)。這(zhe)(zhe)個最大振(zhen)鈴紋波電(dian)(dian)壓(ya)取(qu)決于移(yi)動設備(bei)的(de)輸(shu)入電(dian)(dian)容(rong)和寄(ji)生(sheng)電(dian)(dian)感(gan)。售后非原配件往往具有(you)較低的(de)性能，電(dian)(dian)纜(lan)也會有(you)較高的(de)寄(ji)生(sheng)參數(shu)(shu)，這(zhe)(zhe)些(xie)因素對連(lian)(lian)接的(de)外(wai)設可能造成潛在危害。

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(dan)用(yong)戶也可以連(lian)接外設為內置鋰離子電池充(chong)電(如圖(tu)1的墻適(shi)配器部(bu)分(fen))，然后使(shi)用(yong)市(shi)場上出售的墻適(shi)配器。在這(zhe)個案例(li)中，僅有Vbus引腳和(he)GND被連(lian)接，而D+和(he)D-被短路(lu)。

   根據這種適配器的質(zhi)量(liang)和復雜程度，其輸(shu)出電壓可能發生遠(yuan)遠(yuan)超過制造(zao)目前(qian)小型便攜式(shi)產品所(suo)需敏(min)感電子元件最(zui)大額定值的輸(shu)出瞬態現(xian)象。

   對一些交流(liu)-直流(liu)電源的(de)基準測試顯示(shi)出(chu)(chu)不良的(de)線路穩壓性(xing)能，而在存在光耦反(fan)饋(開關(guan)充電器)損耗的(de)情況下更糟糕，輸(shu)出(chu)(chu)電壓可(ke)能升(sheng)高至20V。

   通過在(zai)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現(xian)象可以被消除。

如何設計

   USB電流(liu)能(neng)力(li)在(zai)(zai)(zai)正常模(mo)式(shi)下是(shi)100mA(未(wei)配(pei)置(zhi)(zhi)模(mo)式(shi))，而在(zai)(zai)(zai)配(pei)置(zhi)(zhi)模(mo)式(shi)下可(ke)達(da)500mA。為了節省功率(lv)，在(zai)(zai)(zai)沒(mei)有數據流(liu)量時USB將(jiang)進入暫停(ting)模(mo)式(shi)。當器(qi)件(jian)處在(zai)(zai)(zai)暫停(ting)模(mo)式(shi)，而且又(you)是(shi)總(zong)線供電的話，器(qi)件(jian)將(jiang)不(bu)能(neng)從總(zong)線抽取超過500μA的電流(liu)。一個主機能(neng)夠發(fa)出恢(hui)復指(zhi)(zhi)令或(huo)遠程喚醒指(zhi)(zhi)令來(lai)激活另一個待機狀態(tai)的主機。上(shang)述要(yao)點表明(ming)OVP電路需(xu)要(yao)滿(man)足不(bu)同(tong)指(zhi)(zhi)標(biao)要(yao)求，如電流(liu)能(neng)力(li)、散(san)熱(re)、欠(qian)壓和過壓保護(hu)及靜態(tai)電流(liu)消(xiao)耗。

   當處在暫停(ting)模(mo)式(shi)時(shi)，與Vbus線路串連的OVP器件將呈現(xian)最低的電流消耗，并由收發器啟動序列喚(huan)醒過程

    采用(yong)的(de)是(shi)PMOS驅動器，因此電(dian)流消耗(hao)極(ji)低。為(wei)了通過PMOS旁路元(yuan)件(jian)消除任何類型的(de)寄生耦合電(dian)壓，必須在盡可(ke)能(neng)靠(kao)近OVP器件(jian)的(de)地方(fang)安排一些小型輸入和輸出電(dian)容(圖3)。

   當(dang)OVP器件(jian)輸(shu)(shu)入端出(chu)現快速(su)輸(shu)(shu)入瞬態(tai)現象時，旁(pang)路元件(jian)將保持(chi)開路。這(zhe)時可(ke)以(yi)在輸(shu)(shu)出(chu)端觀察到過沖(chong)，這(zhe)個過沖(chong)可(ke)能會損壞連接(jie)(jie)至OVP輸(shu)(shu)出(chu)端的電(dian)子(zi)元器件(jian)。為了解(jie)決這(zhe)個問題，必(bi)須在輸(shu)(shu)出(chu)引腳上連接(jie)(jie)一個輸(shu)(shu)出(chu)電(dian)容，并盡量靠近OVP器件(jian)擺放。

由(you)于源極和漏極之間(jian)(jian)存在PMOS寄生電容(rong)(rong)，在輸入脈(mo)沖期間(jian)(jian)正電壓電平將(jiang)被傳遞，從而在PMOS驅(qu)動器(qi)喚(huan)醒期間(jian)(jian)維持一個比(bi)門電位更低(di)的電壓(電容(rong)(rong)填(tian)充)。1個1μF的陶瓷電容(rong)(rong)足以解決這個問題。見圖3中的案例(li)1。

另(ling)一個(ge)要(yao)點是(shi)過(guo)壓(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)閥值的定(ding)(ding)義。過(guo)壓(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)鎖(suo)定(ding)(ding)(OVLO)和欠壓(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)鎖(suo)定(ding)(ding)(UVLO)閥值由發生欠壓(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)或過(guo)壓(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)事件時切斷旁路元(yuan)件的內部電(dian)容所確定(ding)(ding)。OVLO電(dian)平必須(xu)高(gao)于(yu)Vbus最(zui)大工作輸(shu)出(chu)電(dian)壓(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)(5.25V)加上比較器的滯(zhi)后電(dian)壓(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)。同樣(yang)，UVLO參(can)數(shu)的最(zui)大值必須(xu)低于(yu)系統(tong)中(zhong)第一個(ge)元(yuan)件的最(zui)大額(e)定(ding)(ding)電(dian)壓(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)。通常OVLO的中(zhong)心位于(yu)5.675V，能夠有效保護下游系統(tong)，使其承受6V的電(dian)壓(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)，而Vusb紋波電(dian)壓(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)可達5.25V。此前的文章(參(can)考資(zi)料1)中(zhong)提供(gong)了更詳細的資(zi)料，也提供(gong)了與墻適配器電(dian)源兼容的OVLO和UVLO參(can)數(shu)值。

在設計OVP部分時，鑒于驅(qu)動關鍵電(dian)流的內部MOSFET的原因(yin)，不應忽視散熱(re)(re)(re)問題。大家已經明白(bai)為什(shen)么(me)建議這類(lei)保護使用PMOS(低電(dian)流消耗(hao))，而且(qie)由(you)于PFet比NFet擁有更(geng)高的導通阻抗(Rdson)，必(bi)須優(you)化熱(re)(re)(re)傳遞(di)，以避(bi)免熱(re)(re)(re)能損壞。根據應用所需的功(gong)率，建議采用具有裸露焊盤的封裝(zhuang)(如NCP360 μDFN)。器件數據手冊中提供(gong)了(le)RθJA圖表，也(ye)可(ke)以聯系安(an)森美半導體(ti)銷(xiao)售(shou)代表了(le)解進一步信息。

幾種不同的保護等級

正如(ru)“電(dian)氣特性(xing)和防護措施”小節所述那樣，浪涌電(dian)流是(shi)造成器件(jian)(jian)電(dian)氣損壞的(de)根源之一，需要采用OVP器件(jian)(jian)來(lai)克服這(zhe)一問(wen)題。為(wei)了(le)避免任(ren)何類型(xing)的(de)浪涌行為(wei)，OVP器件(jian)(jian)中(zhong)通常都(dou)包(bao)含(han)了(le)軟啟(qi)動順(shun)序。這(zhe)個特殊順(shun)序貫穿(chuan)于PFet門(men)的(de)逐漸上升過(guo)程中(zhong)，見圖4。

   即便出(chu)(chu)現Vusb或墻適配器(qi)快速輸出(chu)(chu)上升(sheng)(熱插(cha))，在(zai)器(qi)件的(de)(de)Vout端也觀察不到電壓尖(jian)峰，這(zhe)得益于4ms的(de)(de)軟啟動控(kong)制。這(zhe)種保(bao)護的(de)(de)最(zui)關鍵特(te)性(xing)是能以(yi)最(zui)快速度檢(jian)測到任何過壓情(qing)況，然后將(jiang)內部(bu)FET開路(lu)。

    OVP器件的(de)關(guan)閉時(shi)(shi)間從(cong)突破OVLO閥(fa)值開(kai)始算到Vout引腳下降為(wei)止。NCP360盡管消耗電流極低，但(dan)具有極快的(de)關(guan)閉時(shi)(shi)間。

典型值700ns/最(zui)大值1.5μs的(de)關閉時間(jian)使得該器件(jian)成(cheng)為當今市(shi)場(chang)上(shang)一(yi)流的(de)器件(jian)，

   為了(le)(le)提供更高(gao)的(de)保護(hu)等(deng)級，這(zhe)些器件中(zhong)可(ke)以(yi)加入過流保護(hu)(OCP)特性(xing)。通過提供這(zhe)種額外的(de)功(gong)能模塊，充電(dian)電(dian)流或設(she)備(bei)的(de)負載電(dian)流不會超過內部編程(cheng)好的(de)限定值(zhi)。為了(le)(le)符合USB規(gui)范，而瞬態(tai)電(dian)流又可(ke)能高(gao)達(da)550mA，因此電(dian)流極限必須高(gao)于這(zhe)個值(zhi)。這(zhe)個功(gong)能集(ji)成在更先進的(de)型號NCP361之(zhi)中(zhong)。這(zhe)兩款產品都提供熱保護(hu)功(gong)能。

解決方案

   考慮到USB廣泛應用(yong)于兩(liang)個器(qi)件之間(jian)的(de)(de)(de)通信，而且從(cong)現在起，還要為鋰離子電(dian)池(chi)充(chong)電(dian)，平臺制造(zao)商都(dou)會在設計中(zhong)集(ji)成(cheng)USB連接器(qi)。安(an)(an)森美半導(dao)體公司(si)提供的(de)(de)(de)NCP360和NCP361能(neng)夠同時(shi)提高(gao)電(dian)子IC和最終用(yong)戶的(de)(de)(de)安(an)(an)全性。這些完全集(ji)成(cheng)的(de)(de)(de)解(jie)決方案符合USB1.0和2.0版規范，電(dian)流消耗非(fei)常低，而且具有實(shi)際市場上(shang)最快的(de)(de)(de)關(guan)閉(bi)時(shi)間(jian)性能(neng)。

   為了覆(fu)蓋滿足中國(guo)新充電標準的大多數應用要求(qiu)，安(an)森美半導體公司提供(gong)了多種不同的OVLO型號。其OVP或(huo)OVP+OCP版本可(ke)以(yi)提供(gong)μDFN和TSOP5兩(liang)種不同封裝，后者在解決方案成本和熱性能方面具有折衷性能。