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(shu)電(dian)(dian)子設(she)(she)備(bei)都有(you)USB連接(jie)器，它們(men)通過USB實(shi)現數(shu)據交換和/或對便攜設(she)(she)備(bei)的電(dian)(dian)池充電(dian)(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(yong)需要通過USB連接(jie)為設(she)(she)備(bei)供電(dian)(dian)時，必(bi)須注意一些安全防范措施。

電氣特性和防護措施

   通(tong)過USB連接的(de)下游(you)系統(tong)可以由多種類型(xing)的(de)主機(ji)來(lai)供電(dian)。

  在(zai)連(lian)接(jie)(jie)個人計(ji)算機(PC)等標準USB源設(she)備時，連(lian)接(jie)(jie)器上將包含Vbus電(dian)(dian)源端(duan)子和(he)數據端(duan)子(D+和(he)D-)。Vbus電(dian)(dian)壓(ya)值由USB規范(fan)明確定義(yi)：額定電(dian)(dian)壓(ya)為5V，最高可(ke)達5.25V。事實上，較(jiao)長的(de)線纜會因(yin)串連(lian)電(dian)(dian)感產(chan)生振鈴現象。這(zhe)個最大(da)振鈴紋波電(dian)(dian)壓(ya)取決于移動設(she)備的(de)輸(shu)入電(dian)(dian)容和(he)寄生電(dian)(dian)感。售后非原配件往往具有(you)(you)較(jiao)低的(de)性能，電(dian)(dian)纜也會有(you)(you)較(jiao)高的(de)寄生參數，這(zhe)些(xie)因(yin)素對(dui)連(lian)接(jie)(jie)的(de)外設(she)可(ke)能造成潛在(zai)危害。

   通(tong)常Vbus引腳連接至收發器(qi)的電(dian)(dian)源輸(shu)入引腳(有時(shi)(shi)會通(tong)過(guo)最大額定電(dian)(dian)壓為6V的低壓降穩壓器(qi)進行連接)，在Vbus電(dian)(dian)源用于對鋰離(li)子電(dian)(dian)池充電(dian)(dian)時(shi)(shi)(大多數情況下最大額定電(dian)(dian)壓為7V或10V)也可以連接至充電(dian)(dian)器(qi)的輸(shu)入引腳。

   但用戶(hu)也可以連(lian)接(jie)外(wai)設為內置鋰離子電池充電,然后使用市場(chang)上出(chu)售的墻適配器。在這個(ge)案(an)例中，僅有Vbus引(yin)腳和(he)GND被(bei)連(lian)接(jie)，而D+和(he)D-被(bei)短路(lu)。

   根(gen)據這種適配器的質(zhi)量和復(fu)雜程度，其輸出電壓可能發生遠遠超過制造目前小型便(bian)攜式產品所(suo)需敏感(gan)電子元(yuan)件最(zui)大(da)額(e)定值(zhi)的輸出瞬態現象。

   對一些交流(liu)-直(zhi)流(liu)電源的基準測試顯(xian)示(shi)出(chu)(chu)不(bu)良(liang)的線路穩壓性能(neng)，而在存在光耦反饋(開關充(chong)電器(qi))損耗的情況下更糟糕，輸(shu)出(chu)(chu)電壓可能(neng)升高(gao)至20V。

   通過(guo)在設備(bei)前面(mian)設計過(guo)壓保護(hu)(OVP)器件，浪(lang)涌效應和主機不盡(jin)責(ze)現(xian)象可以被(bei)消除(chu)。

如何設計

   USB電(dian)流(liu)(liu)能力在正常模(mo)式(shi)(shi)下是(shi)100mA(未(wei)配(pei)置(zhi)(zhi)模(mo)式(shi)(shi))，而在配(pei)置(zhi)(zhi)模(mo)式(shi)(shi)下可達(da)500mA。為了節省功率，在沒有(you)數據(ju)流(liu)(liu)量時USB將進入暫停(ting)模(mo)式(shi)(shi)。當(dang)器件處(chu)在暫停(ting)模(mo)式(shi)(shi)，而且又是(shi)總線(xian)供電(dian)的話，器件將不(bu)(bu)能從(cong)總線(xian)抽取超(chao)過500μA的電(dian)流(liu)(liu)。一個主(zhu)機能夠發出恢復指令(ling)或遠程喚醒(xing)指令(ling)來激活另一個待機狀(zhuang)態的主(zhu)機。上述要(yao)點表明OVP電(dian)路需要(yao)滿(man)足(zu)不(bu)(bu)同指標要(yao)求，如電(dian)流(liu)(liu)能力、散熱、欠壓和過壓保護及(ji)靜態電(dian)流(liu)(liu)消(xiao)耗。

   當處在(zai)暫停模(mo)式時，與Vbus線路串連的OVP器(qi)件將呈現(xian)最(zui)低的電流(liu)消耗，并由收發器(qi)啟動序列喚醒過程(cheng)(圖2)。

   為了通過PMOS旁路元件(jian)消除(chu)任何類型(xing)的寄生(sheng)耦合電壓，必(bi)須在盡可能(neng)靠近(jin)OVP器(qi)件(jian)的地方安排一些小型(xing)輸(shu)(shu)入和(he)輸(shu)(shu)出電容(圖(tu)3)。

   輸(shu)(shu)出(chu)(chu)電容已(yi)被移除。這(zhe)(zhe)樣，當(dang)OVP器(qi)件輸(shu)(shu)入端(duan)出(chu)(chu)現快(kuai)速輸(shu)(shu)入瞬態現象(xiang)時，旁路元件將保(bao)持開路。這(zhe)(zhe)時可以在輸(shu)(shu)出(chu)(chu)端(duan)觀(guan)察到過沖，這(zhe)(zhe)個過沖可能會(hui)損壞(huai)連接至OVP輸(shu)(shu)出(chu)(chu)端(duan)的電子元器(qi)件。為了解決(jue)這(zhe)(zhe)個問(wen)題，必須在輸(shu)(shu)出(chu)(chu)引腳(jiao)上連接一個輸(shu)(shu)出(chu)(chu)電容，并(bing)盡量靠近OVP器(qi)件擺放。

由于源極(ji)和漏極(ji)之(zhi)間存在(zai)PMOS寄生電(dian)容(rong)，在(zai)輸入脈沖期(qi)間正電(dian)壓電(dian)平將(jiang)被傳遞，從(cong)而在(zai)PMOS驅動器(qi)喚醒期(qi)間維(wei)持一個比門電(dian)位更低的(de)(de)電(dian)壓(電(dian)容(rong)填充)。1個1μF的(de)(de)陶瓷電(dian)容(rong)足以解決這個問(wen)題。見圖(tu)3中的(de)(de)案例1。

另一個(ge)(ge)要點是過(guo)壓(ya)(ya)閥值(zhi)的(de)(de)定(ding)(ding)義。過(guo)壓(ya)(ya)鎖定(ding)(ding)(OVLO)和(he)(he)欠(qian)壓(ya)(ya)鎖定(ding)(ding)(UVLO)閥值(zhi)由發生欠(qian)壓(ya)(ya)或過(guo)壓(ya)(ya)事件時切(qie)斷旁路元件的(de)(de)內部電(dian)(dian)容所確定(ding)(ding)。OVLO電(dian)(dian)平必(bi)須高于Vbus最(zui)大工作輸出電(dian)(dian)壓(ya)(ya)(5.25V)加上比較器(qi)的(de)(de)滯后電(dian)(dian)壓(ya)(ya)。同樣，UVLO參(can)數(shu)的(de)(de)最(zui)大值(zhi)必(bi)須低(di)于系(xi)統中(zhong)第(di)一個(ge)(ge)元件的(de)(de)最(zui)大額定(ding)(ding)電(dian)(dian)壓(ya)(ya)。通(tong)常OVLO的(de)(de)中(zhong)心位于5.675V，能夠有效保(bao)護(hu)下游系(xi)統，使其承受6V的(de)(de)電(dian)(dian)壓(ya)(ya)，而Vusb紋波電(dian)(dian)壓(ya)(ya)可達(da)5.25V。此前的(de)(de)文章(zhang)(參(can)考(kao)資料(liao)1)中(zhong)提(ti)供了(le)更(geng)詳細的(de)(de)資料(liao)，也提(ti)供了(le)與墻適配器(qi)電(dian)(dian)源兼容的(de)(de)OVLO和(he)(he)UVLO參(can)數(shu)值(zhi)。

在設計OVP部分時(shi)，鑒于驅動(dong)關鍵電(dian)流(liu)的內部MOSFET的原因(yin)，不應(ying)(ying)忽視散熱(re)問題。大(da)(da)家已經(jing)明白為什么建(jian)議這類保(bao)護使用PMOS(低電(dian)流(liu)消耗)，而且由于PFet比NFet擁有更高的導通(tong)阻抗(Rdson)，必須優化熱(re)傳遞，以(yi)避免(mian)熱(re)能損壞。根(gen)據應(ying)(ying)用所需的功(gong)率，建(jian)議采(cai)用具有裸(luo)露焊(han)盤的封裝(如NCP360 μDFN)。器件數據手冊(ce)中提(ti)供了RθJA圖表，也可以(yi)聯系安森美半導體銷售代表了解進一步信(xin)息。如今大(da)(da)多數電(dian)子設備都有USB連接器，它們通(tong)過USB實現數據交(jiao)換和/或對便攜設備的電(dian)池充電(dian)。雖(sui)然USB這種(zhong)通(tong)信(xin)協議已經(jing)相當普(pu)及，但當目標應(ying)(ying)用需要通(tong)過USB連接為設備供電(dian)時(shi)，必須注意一些安全(quan)防范措施(shi)。

電氣特性和防護措施

通過USB連接(jie)的(de)下(xia)游系(xi)統可以由(you)多種(zhong)類(lei)型的(de)主機來(lai)供電。

在(zai)連(lian)(lian)(lian)接(jie)個人計算機(ji)(PC)等標準USB源設(she)備(bei)時，連(lian)(lian)(lian)接(jie)器上將包含(han)Vbus電(dian)(dian)(dian)源端(duan)子和(he)數據端(duan)子(D+和(he)D-)。Vbus電(dian)(dian)(dian)壓值由USB規范明(ming)確(que)定(ding)義(yi)：額定(ding)電(dian)(dian)(dian)壓為5V，最高(gao)可達5.25V。事(shi)實上，較(jiao)長的(de)線纜(lan)會因串連(lian)(lian)(lian)電(dian)(dian)(dian)感產生振鈴現象。這個最大振鈴紋波(bo)電(dian)(dian)(dian)壓取決于移動設(she)備(bei)的(de)輸入(ru)電(dian)(dian)(dian)容和(he)寄生電(dian)(dian)(dian)感。售后非原(yuan)配件往(wang)往(wang)具(ju)有較(jiao)低的(de)性能(neng)，電(dian)(dian)(dian)纜(lan)也會有較(jiao)高(gao)的(de)寄生參數，這些因素對(dui)連(lian)(lian)(lian)接(jie)的(de)外(wai)設(she)可能(neng)造成潛在(zai)危(wei)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(yi)連接(jie)外設為內置鋰(li)離子電(dian)(dian)池充(chong)電(dian)(dian)(如圖1的墻適配器(qi)部分)，然后使(shi)用市場上出(chu)售(shou)的墻適配器(qi)。在(zai)這(zhe)個(ge)案例中，僅(jin)有(you)Vbus引腳(jiao)和(he)GND被連接(jie)，而D+和(he)D-被短路。

   根據(ju)這種適配器的質量和復雜程(cheng)度，其輸出電壓可能(neng)發(fa)生遠遠超過制造目前小型便攜式產(chan)品(pin)所需敏(min)感電子元(yuan)件最大額定(ding)值(zhi)的輸出瞬(shun)態現象。

   對一些交流-直流電(dian)源的基準測試顯(xian)示(shi)出(chu)不良的線路穩壓(ya)性(xing)能，而在存(cun)在光耦反饋(開關充(chong)電(dian)器(qi))損(sun)耗的情況下更糟糕，輸出(chu)電(dian)壓(ya)可能升高(gao)至20V。

   通過(guo)在設備前面設計過(guo)壓保護(OVP)器件，浪涌(yong)效應和主機不盡(jin)責(ze)現象可以被消除。

如何設計

   USB電(dian)(dian)流能(neng)力(li)在正常(chang)模式下是100mA(未配(pei)置模式)，而在配(pei)置模式下可達500mA。為了(le)節省功率，在沒有(you)數據流量時USB將(jiang)進入暫停(ting)模式。當器件處在暫停(ting)模式，而且(qie)又是總(zong)線(xian)供電(dian)(dian)的(de)話，器件將(jiang)不能(neng)從總(zong)線(xian)抽取超過500μA的(de)電(dian)(dian)流。一個主機(ji)能(neng)夠發(fa)出恢復指(zhi)令(ling)或遠程喚醒指(zhi)令(ling)來激活(huo)另一個待機(ji)狀態(tai)的(de)主機(ji)。上述要(yao)點表明(ming)OVP電(dian)(dian)路需(xu)要(yao)滿足不同指(zhi)標要(yao)求，如電(dian)(dian)流能(neng)力(li)、散(san)熱、欠壓和過壓保(bao)護及靜態(tai)電(dian)(dian)流消耗。

   當處在暫停模式時，與Vbus線路串連的OVP器(qi)件(jian)將呈(cheng)現最低的電(dian)流消耗，并由收(shou)發器(qi)啟動序(xu)列喚醒過程

    采(cai)用的(de)是PMOS驅(qu)動器，因(yin)此電流消(xiao)耗極低。為了通(tong)過PMOS旁路元件(jian)消(xiao)除任何類型的(de)寄生耦合(he)電壓，必須在(zai)盡可能(neng)靠(kao)近OVP器件(jian)的(de)地方安(an)排一些小(xiao)型輸入和輸出(chu)電容(圖3)。

   當OVP器件輸(shu)入端出(chu)現(xian)快速輸(shu)入瞬態(tai)現(xian)象時，旁(pang)路元件將保持開路。這(zhe)(zhe)(zhe)時可以在輸(shu)出(chu)端觀(guan)察到過沖，這(zhe)(zhe)(zhe)個過沖可能(neng)會損(sun)壞(huai)連接(jie)至OVP輸(shu)出(chu)端的電(dian)子元器件。為了解(jie)決這(zhe)(zhe)(zhe)個問題，必須在輸(shu)出(chu)引腳上(shang)連接(jie)一個輸(shu)出(chu)電(dian)容，并盡量(liang)靠近(jin)OVP器件擺放。

由于源極和漏極之間(jian)存在PMOS寄生電(dian)容，在輸入脈沖期間(jian)正電(dian)壓(ya)電(dian)平將被(bei)傳遞，從(cong)而在PMOS驅動器喚醒期間(jian)維持一個比(bi)門(men)電(dian)位更低的電(dian)壓(ya)(電(dian)容填充)。1個1μF的陶(tao)瓷(ci)電(dian)容足(zu)以(yi)解(jie)決這個問題。見圖3中的案(an)例1。

另一個要(yao)點是過(guo)(guo)壓(ya)(ya)(ya)閥(fa)值的(de)(de)定義。過(guo)(guo)壓(ya)(ya)(ya)鎖定(OVLO)和欠(qian)壓(ya)(ya)(ya)鎖定(UVLO)閥(fa)值由發生欠(qian)壓(ya)(ya)(ya)或過(guo)(guo)壓(ya)(ya)(ya)事件時切斷旁(pang)路(lu)元件的(de)(de)內部電(dian)容所確定。OVLO電(dian)平(ping)必(bi)須高(gao)于(yu)Vbus最(zui)大工作輸出電(dian)壓(ya)(ya)(ya)(5.25V)加上(shang)比較器的(de)(de)滯后(hou)電(dian)壓(ya)(ya)(ya)。同樣，UVLO參數(shu)的(de)(de)最(zui)大值必(bi)須低于(yu)系統中(zhong)第一個元件的(de)(de)最(zui)大額定電(dian)壓(ya)(ya)(ya)。通常OVLO的(de)(de)中(zhong)心位于(yu)5.675V，能夠有效保護下(xia)游系統，使其承受6V的(de)(de)電(dian)壓(ya)(ya)(ya)，而(er)Vusb紋(wen)波電(dian)壓(ya)(ya)(ya)可達5.25V。此前(qian)的(de)(de)文(wen)章(參考資(zi)(zi)料1)中(zhong)提供了更詳細的(de)(de)資(zi)(zi)料，也提供了與(yu)墻(qiang)適配器電(dian)源(yuan)兼容的(de)(de)OVLO和UVLO參數(shu)值。

在設計OVP部分時，鑒(jian)于(yu)驅(qu)動關鍵電流的(de)內部MOSFET的(de)原因，不應(ying)忽視散熱(re)問題。大(da)家已經(jing)明白為什么建(jian)議(yi)這類保護使用(yong)PMOS(低電流消(xiao)耗)，而且由于(yu)PFet比NFet擁有更高(gao)的(de)導(dao)通阻(zu)抗(kang)(Rdson)，必須優化熱(re)傳遞，以避免(mian)熱(re)能損壞。根據應(ying)用(yong)所需的(de)功率，建(jian)議(yi)采用(yong)具有裸露(lu)焊(han)盤的(de)封裝(如NCP360 μDFN)。器(qi)件數據手(shou)冊(ce)中提供了(le)RθJA圖表(biao)，也可以聯系(xi)安森(sen)美(mei)半導(dao)體(ti)銷售代表(biao)了(le)解進一步信息(xi)。

幾種不同的保護等級

正如“電氣特性(xing)和防護措施”小(xiao)節所(suo)述那(nei)樣，浪涌電流是造(zao)成(cheng)器(qi)件(jian)電氣損(sun)壞(huai)的根(gen)源之一(yi)，需(xu)要采(cai)用OVP器(qi)件(jian)來克服這一(yi)問題。為了避免任何類型的浪涌行為，OVP器(qi)件(jian)中通常都包含了軟啟動順(shun)序。這個特殊順(shun)序貫穿(chuan)于PFet門的逐漸上升過程中，見圖4。

   即便出現(xian)Vusb或(huo)墻適配器(qi)快(kuai)速輸(shu)出上升(熱插)，在(zai)器(qi)件的Vout端也觀(guan)察不到電壓尖峰，這(zhe)(zhe)得益于4ms的軟啟動控制。這(zhe)(zhe)種保護(hu)的最(zui)關鍵(jian)特性是能以(yi)最(zui)快(kuai)速度檢測到任何過壓情況，然后將(jiang)內(nei)部FET開路。

    OVP器(qi)件(jian)的(de)關閉時間從突(tu)破OVLO閥值開(kai)始(shi)算(suan)到Vout引腳下降為止。NCP360盡(jin)管消耗電(dian)流極低，但具(ju)有(you)極快的(de)關閉時間。

典型值700ns/最大值1.5μs的關閉(bi)時間使(shi)得該器件成為當今市場(chang)上(shang)一流(liu)的器件，

   為了(le)提供(gong)更高的保護等(deng)級，這(zhe)(zhe)(zhe)些器件中可以(yi)加入過流保護(OCP)特性。通過提供(gong)這(zhe)(zhe)(zhe)種額外的功(gong)能模塊(kuai)，充(chong)電電流或設備的負(fu)載電流不(bu)會超(chao)過內部編程好(hao)的限(xian)定(ding)值。為了(le)符合USB規范，而瞬態電流又可能高達550mA，因(yin)此電流極限(xian)必須(xu)高于這(zhe)(zhe)(zhe)個值。這(zhe)(zhe)(zhe)個功(gong)能集成在(zai)更先進的型號NCP361之(zhi)中。這(zhe)(zhe)(zhe)兩款產(chan)品都提供(gong)熱保護功(gong)能。

解決方案

   考慮到USB廣泛應用于兩個器(qi)件之間的(de)通信，而且(qie)從現在起，還要為鋰離(li)子(zi)電池充電，平臺(tai)制造商(shang)都(dou)會(hui)在設計(ji)中集成USB連接器(qi)。安(an)森美半導體(ti)公司(si)提供的(de)NCP360和NCP361能(neng)夠同時提高電子(zi)IC和最終用戶的(de)安(an)全性。這些完(wan)全集成的(de)解決方案符合(he)USB1.0和2.0版規范，電流消耗非常低(di)，而且(qie)具有(you)實(shi)際市場上最快的(de)關閉時間性能(neng)。

   為了覆蓋滿足中國(guo)新(xin)充(chong)電標準(zhun)的大多數應用要求，安森美半(ban)導(dao)體公司(si)提(ti)供了多種不(bu)同(tong)的OVLO型(xing)號。其(qi)OVP或OVP+OCP版本可以提(ti)供μDFN和TSOP5兩種不(bu)同(tong)封(feng)裝，后者在解決方案成(cheng)本和熱性(xing)能(neng)方面具有折衷性(xing)能(neng)。