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)(dian)子設(she)備都有USB連(lian)接(jie)器(qi)，它們通(tong)過USB實現數(shu)據交換和/或對便攜設(she)備的電(dian)(dian)池充電(dian)(dian)。雖然USB這種通(tong)信協(xie)議(yi)已經(jing)相當普及(ji)，但當目標應用需(xu)要通(tong)過USB連(lian)接(jie)為設(she)備供電(dian)(dian)時，必須注意一些安全防范措(cuo)施。
電氣特性和防護措施
通(tong)過USB連接的下游(you)系(xi)統可以由多種類型(xing)的主機來供電(dian)。
在(zai)連接(jie)個(ge)人(ren)計算機(PC)等標準USB源設備(bei)時，連接(jie)器上將包含(han)Vbus電(dian)源端子和(he)數據端子(D+和(he)D-)。Vbus電(dian)壓(ya)(ya)值由USB規范明確(que)定(ding)義：額定(ding)電(dian)壓(ya)(ya)為5V，最高可(ke)達5.25V。事實上，較長的(de)線(xian)纜(lan)會因串連電(dian)感(gan)產生振鈴現象。這個(ge)最大振鈴紋(wen)波(bo)電(dian)壓(ya)(ya)取決于移動設備(bei)的(de)輸入(ru)電(dian)容和(he)寄生電(dian)感(gan)。售后(hou)非原配件往(wang)往(wang)具有較低的(de)性能(neng)，電(dian)纜(lan)也會有較高的(de)寄生參數，這些因素對連接(jie)的(de)外設可(ke)能(neng)造(zao)成潛在(zai)危(wei)害(hai)。
通(tong)常Vbus引(yin)腳連接至收發器的電(dian)源(yuan)輸入引(yin)腳(有時(shi)會通(tong)過最(zui)大額(e)定電(dian)壓(ya)為6V的低(di)壓(ya)降穩壓(ya)器進行連接)，在Vbus電(dian)源(yuan)用于(yu)對鋰離子電(dian)池充(chong)(chong)電(dian)時(shi)(大多(duo)數情況下最(zui)大額(e)定電(dian)壓(ya)為7V或10V)也可(ke)以連接至充(chong)(chong)電(dian)器的輸入引(yin)腳。
但用戶(hu)也可以連(lian)接外設為內(nei)置鋰離子電池充電,然(ran)后使用市場上出售(shou)的墻適(shi)配器。在這個(ge)案例中，僅有Vbus引腳和GND被連(lian)接，而D+和D-被短路(lu)。
根(gen)據這種(zhong)適配器的質量和復雜程度(du)，其輸出電壓可能發(fa)生(sheng)遠遠超過制(zhi)造(zao)目前(qian)小型(xing)便攜式產品所需敏感電子(zi)元件(jian)最大額(e)定值的輸出瞬態現象。
對一些(xie)交流(liu)-直流(liu)電源的基準測(ce)試顯示(shi)出(chu)不(bu)良的線(xian)路(lu)穩(wen)壓(ya)性能，而(er)在存在光耦反饋(開關充電器)損(sun)耗的情況下更糟糕，輸出(chu)電壓(ya)可能升高至20V。
通(tong)過在(zai)設備前面設計過壓保護(OVP)器件，浪涌效應和主機不盡責現象可以被消除。
如何設計
USB電(dian)流能(neng)力在(zai)正常模式(shi)下是100mA(未配(pei)置模式(shi))，而(er)在(zai)配(pei)置模式(shi)下可達(da)500mA。為了節省功(gong)率，在(zai)沒有數據流量時USB將進入暫停模式(shi)。當器件(jian)處(chu)在(zai)暫停模式(shi)，而(er)且又是總線供電(dian)的(de)話，器件(jian)將不能(neng)從(cong)總線抽取(qu)超(chao)過(guo)(guo)500μA的(de)電(dian)流。一個(ge)主(zhu)機能(neng)夠發出恢復指令或遠程喚醒指令來激活另一個(ge)待機狀(zhuang)態的(de)主(zhu)機。上述要(yao)(yao)點表明OVP電(dian)路需要(yao)(yao)滿足不同指標要(yao)(yao)求，如電(dian)流能(neng)力、散(san)熱、欠壓(ya)和過(guo)(guo)壓(ya)保護及靜態電(dian)流消耗。
當處在暫停模式時(shi)，與Vbus線路串(chuan)連的OVP器件將呈現最低的電(dian)流消(xiao)耗，并(bing)由收發器啟動(dong)序列喚醒過程(圖2)。
為了通過PMOS旁路(lu)元件消(xiao)除(chu)任何類型(xing)的寄生耦合電壓，必須(xu)在盡(jin)可能靠近OVP器件的地方安(an)排一(yi)些小型(xing)輸入和輸出(chu)電容(rong)(圖(tu)3)。
輸出(chu)電(dian)容已(yi)被移除(chu)。這樣，當OVP器(qi)(qi)件(jian)(jian)輸入端(duan)出(chu)現快速(su)輸入瞬態現象時，旁路(lu)元件(jian)(jian)將保(bao)持開路(lu)。這時可以(yi)在(zai)輸出(chu)端(duan)觀(guan)察到過沖(chong)(chong)，這個(ge)(ge)過沖(chong)(chong)可能會(hui)損壞連接至OVP輸出(chu)端(duan)的電(dian)子元器(qi)(qi)件(jian)(jian)。為了解(jie)決這個(ge)(ge)問題(ti)，必須在(zai)輸出(chu)引腳上連接一個(ge)(ge)輸出(chu)電(dian)容，并盡量靠近OVP器(qi)(qi)件(jian)(jian)擺放。
由于(yu)源極(ji)和漏極(ji)之間存在(zai)PMOS寄生電容(rong)，在(zai)輸入脈沖期間正電壓電平(ping)將(jiang)被(bei)傳遞，從而在(zai)PMOS驅(qu)動器(qi)喚(huan)醒期間維持一個比(bi)門(men)電位更低的(de)電壓(電容(rong)填充)。1個1μF的(de)陶瓷(ci)電容(rong)足以解決這個問題。見圖3中的(de)案例1。
另(ling)一個要點是過壓(ya)(ya)閥值的(de)定義。過壓(ya)(ya)鎖(suo)(suo)定(OVLO)和欠(qian)壓(ya)(ya)鎖(suo)(suo)定(UVLO)閥值由發生欠(qian)壓(ya)(ya)或過壓(ya)(ya)事件(jian)時切(qie)斷旁路元(yuan)件(jian)的(de)內部電(dian)(dian)容所(suo)確(que)定。OVLO電(dian)(dian)平(ping)必(bi)須高于(yu)Vbus最(zui)大工作輸出電(dian)(dian)壓(ya)(ya)(5.25V)加上(shang)比較器(qi)的(de)滯后電(dian)(dian)壓(ya)(ya)。同(tong)樣(yang)，UVLO參(can)數的(de)最(zui)大值必(bi)須低于(yu)系統中第一個元(yuan)件(jian)的(de)最(zui)大額定電(dian)(dian)壓(ya)(ya)。通常(chang)OVLO的(de)中心位于(yu)5.675V，能夠有(you)效保護(hu)下游系統，使其承受6V的(de)電(dian)(dian)壓(ya)(ya)，而(er)Vusb紋波(bo)電(dian)(dian)壓(ya)(ya)可(ke)達5.25V。此前的(de)文章(參(can)考資料1)中提供(gong)了更詳細的(de)資料，也(ye)提供(gong)了與墻適配器(qi)電(dian)(dian)源兼容的(de)OVLO和UVLO參(can)數值。
在設(she)計(ji)OVP部分時(shi)，鑒于(yu)驅動關(guan)鍵(jian)電流的(de)(de)內(nei)部MOSFET的(de)(de)原因，不(bu)應忽視散(san)熱(re)問題(ti)。大家已經(jing)明白為什么建議這類(lei)保護使用(yong)(yong)PMOS(低電流消耗)，而(er)且由于(yu)PFet比NFet擁有更高的(de)(de)導通阻(zu)抗(kang)(Rdson)，必須優化熱(re)傳遞(di)，以避免熱(re)能損壞。根(gen)據應用(yong)(yong)所需的(de)(de)功率，建議采(cai)用(yong)(yong)具(ju)有裸露(lu)焊盤的(de)(de)封裝(如(ru)NCP360 μDFN)。器件(jian)數據手冊中(zhong)提供了RθJA圖表，也(ye)可以聯(lian)系安(an)森(sen)美半(ban)導體(ti)銷售代表了解進一步信息。如(ru)今大多數電子(zi)設(she)備(bei)都有USB連接器，它們(men)通過(guo)USB實現數據交(jiao)換和/或對便攜設(she)備(bei)的(de)(de)電池充電。雖然USB這種通信協(xie)議已經(jing)相(xiang)當普及，但當目標(biao)應用(yong)(yong)需要(yao)通過(guo)USB連接為設(she)備(bei)供電時(shi)，必須注意一些(xie)安(an)全防范措(cuo)施(shi)。
電氣特性和防護措施
通過USB連(lian)接的下游系統可以(yi)由(you)多種類型(xing)的主(zhu)機來(lai)供電。
在連接個人(ren)計算(suan)機(PC)等(deng)標準(zhun)USB源設(she)備時，連接器上將包含Vbus電(dian)源端(duan)子和數據端(duan)子(D+和D-)。Vbus電(dian)壓(ya)值由(you)USB規(gui)范明確(que)定義：額定電(dian)壓(ya)為5V，最高可(ke)(ke)達5.25V。事實上，較長的(de)線(xian)纜會因(yin)串(chuan)連電(dian)感產(chan)生(sheng)振鈴(ling)現象。這(zhe)個最大(da)振鈴(ling)紋波電(dian)壓(ya)取(qu)決于移動設(she)備的(de)輸(shu)入電(dian)容和寄(ji)生(sheng)電(dian)感。售后非原配件(jian)往往具有較低的(de)性能，電(dian)纜也會有較高的(de)寄(ji)生(sheng)參數，這(zhe)些因(yin)素對連接的(de)外設(she)可(ke)(ke)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。
但用(yong)戶也可以連(lian)接(jie)外設為(wei)內置鋰離子電池充電(如圖1的墻適配器部分(fen))，然(ran)后使(shi)用(yong)市場上出售的墻適配器。在(zai)這(zhe)個案(an)例中，僅(jin)有Vbus引腳和GND被連(lian)接(jie)，而D+和D-被短(duan)路。
根(gen)據(ju)這種適配(pei)器的(de)質量和復雜程度，其輸(shu)出電壓可(ke)能(neng)發生遠遠超過(guo)制造目前小(xiao)型(xing)便攜式產(chan)品所(suo)需(xu)敏感電子元件(jian)最大額(e)定值的(de)輸(shu)出瞬(shun)態現象。
對一些交流(liu)-直流(liu)電源的(de)基準測試顯示出不良的(de)線路穩壓性能，而在(zai)存在(zai)光耦反(fan)饋(開關充電器)損耗(hao)的(de)情況下更(geng)糟糕，輸出電壓可能升高至20V。
通過在設備前面設計(ji)過壓保護(OVP)器件，浪涌效應和主機不(bu)盡(jin)責現(xian)象可以被消除。
如何設計
USB電流(liu)能(neng)(neng)力(li)在正常模(mo)式(shi)下是100mA(未配置(zhi)模(mo)式(shi))，而(er)(er)在配置(zhi)模(mo)式(shi)下可達500mA。為了(le)節省功率，在沒有數(shu)據流(liu)量時(shi)USB將進(jin)入暫停(ting)模(mo)式(shi)。當器件(jian)處在暫停(ting)模(mo)式(shi)，而(er)(er)且(qie)又是總(zong)線供電的(de)話，器件(jian)將不(bu)能(neng)(neng)從(cong)總(zong)線抽取(qu)超過500μA的(de)電流(liu)。一個主機(ji)(ji)能(neng)(neng)夠發出恢復指(zhi)令或遠程喚(huan)醒指(zhi)令來激(ji)活另一個待機(ji)(ji)狀(zhuang)態(tai)(tai)的(de)主機(ji)(ji)。上(shang)述(shu)要(yao)點表明OVP電路需要(yao)滿(man)足(zu)不(bu)同指(zhi)標要(yao)求(qiu)，如電流(liu)能(neng)(neng)力(li)、散熱(re)、欠(qian)壓(ya)和過壓(ya)保護及靜態(tai)(tai)電流(liu)消耗。
當(dang)處在暫停模式時，與Vbus線路串連(lian)的OVP器件(jian)將(jiang)呈現最低的電(dian)流(liu)消耗(hao)，并由收發器啟動(dong)序列喚(huan)醒(xing)過程
采用的是(shi)PMOS驅動器，因(yin)此電流消(xiao)耗極低(di)。為了通過PMOS旁(pang)路元件消(xiao)除任何類型的寄生(sheng)耦合電壓，必(bi)須在盡可能靠近(jin)OVP器件的地(di)方安排(pai)一(yi)些小(xiao)型輸入和輸出電容(rong)(圖3)。
當OVP器(qi)件(jian)輸(shu)入(ru)端(duan)(duan)出(chu)現(xian)快速(su)輸(shu)入(ru)瞬(shun)態現(xian)象時，旁路元件(jian)將保持開路。這(zhe)時可以在輸(shu)出(chu)端(duan)(duan)觀察(cha)到過沖(chong)，這(zhe)個(ge)過沖(chong)可能會損壞連接(jie)至OVP輸(shu)出(chu)端(duan)(duan)的電(dian)子元器(qi)件(jian)。為了解決(jue)這(zhe)個(ge)問題，必須在輸(shu)出(chu)引腳上(shang)連接(jie)一個(ge)輸(shu)出(chu)電(dian)容，并盡量靠近OVP器(qi)件(jian)擺放。
由于源極和漏極之間存在(zai)PMOS寄生電(dian)(dian)容，在(zai)輸入脈(mo)沖期間正電(dian)(dian)壓電(dian)(dian)平將被傳(chuan)遞，從而在(zai)PMOS驅動(dong)器喚(huan)醒(xing)期間維持一(yi)個比門電(dian)(dian)位更(geng)低的(de)電(dian)(dian)壓(電(dian)(dian)容填充)。1個1μF的(de)陶瓷電(dian)(dian)容足以(yi)解決這個問題(ti)。見圖(tu)3中的(de)案例1。
另一(yi)個(ge)要點是(shi)過壓(ya)(ya)(ya)閥值(zhi)的(de)(de)定(ding)(ding)義。過壓(ya)(ya)(ya)鎖定(ding)(ding)(OVLO)和(he)欠壓(ya)(ya)(ya)鎖定(ding)(ding)(UVLO)閥值(zhi)由(you)發生欠壓(ya)(ya)(ya)或過壓(ya)(ya)(ya)事件(jian)時切斷旁路元件(jian)的(de)(de)內部電容所確定(ding)(ding)。OVLO電平必須高于Vbus最大(da)工作輸(shu)出電壓(ya)(ya)(ya)(5.25V)加上比較器的(de)(de)滯后電壓(ya)(ya)(ya)。同樣，UVLO參(can)數的(de)(de)最大(da)值(zhi)必須低于系統(tong)中(zhong)(zhong)第一(yi)個(ge)元件(jian)的(de)(de)最大(da)額定(ding)(ding)電壓(ya)(ya)(ya)。通常OVLO的(de)(de)中(zhong)(zhong)心位于5.675V，能夠有效保(bao)護(hu)下游系統(tong)，使其(qi)承受6V的(de)(de)電壓(ya)(ya)(ya)，而Vusb紋波電壓(ya)(ya)(ya)可達5.25V。此前的(de)(de)文章(參(can)考(kao)資料1)中(zhong)(zhong)提(ti)供(gong)(gong)了(le)更詳細的(de)(de)資料，也(ye)提(ti)供(gong)(gong)了(le)與墻適配器電源(yuan)兼容的(de)(de)OVLO和(he)UVLO參(can)數值(zhi)。
在(zai)設計(ji)OVP部(bu)分時，鑒于驅(qu)動關鍵(jian)電流的(de)內部(bu)MOSFET的(de)原因(yin)，不應忽(hu)視散熱問題。大家已經明白為什么建(jian)議這類保護使用PMOS(低(di)電流消(xiao)耗)，而且由于PFet比NFet擁有更高(gao)的(de)導(dao)通阻(zu)抗(Rdson)，必須(xu)優化熱傳(chuan)遞，以避免熱能損壞。根據應用所需的(de)功率，建(jian)議采用具有裸露焊盤的(de)封裝(如NCP360 μDFN)。器(qi)件數(shu)據手冊(ce)中(zhong)提(ti)供了RθJA圖(tu)表(biao)，也可以聯系(xi)安森(sen)美半導(dao)體銷售代表(biao)了解(jie)進一步信息。
幾種不同的保護等級
正如“電氣特性和防護措(cuo)施”小(xiao)節所述(shu)那(nei)樣，浪(lang)涌電流是造成器件(jian)(jian)電氣損壞的(de)根源(yuan)之一(yi)，需要(yao)采用OVP器件(jian)(jian)來克服這一(yi)問題。為了(le)避免任何類型的(de)浪(lang)涌行為，OVP器件(jian)(jian)中通常(chang)都(dou)包含了(le)軟啟(qi)動順(shun)序(xu)。這個(ge)特殊(shu)順(shun)序(xu)貫穿于PFet門的(de)逐漸(jian)上(shang)升過程中，見圖4。
即便出現Vusb或墻適(shi)配器(qi)快(kuai)速(su)輸出上(shang)升(熱插)，在器(qi)件的Vout端也觀察不到電壓(ya)尖峰，這得益于4ms的軟啟動控制(zhi)。這種保護(hu)的最關(guan)鍵特性是能以最快(kuai)速(su)度(du)檢測(ce)到任(ren)何過壓(ya)情況，然后將(jiang)內(nei)部FET開路。
OVP器件的(de)關(guan)閉時間從突破OVLO閥值開始算到Vout引腳下(xia)降為止。NCP360盡管(guan)消(xiao)耗(hao)電流極低，但具(ju)有(you)極快(kuai)的(de)關(guan)閉時間。
典(dian)型值700ns/最大值1.5μs的關閉時間使得(de)該器件成為當今市(shi)場上(shang)一流的器件，
為(wei)了(le)提(ti)供更高(gao)的保(bao)護(hu)(hu)等(deng)級，這(zhe)些(xie)器(qi)件中(zhong)可以加入過流(liu)保(bao)護(hu)(hu)(OCP)特(te)性。通過提(ti)供這(zhe)種額(e)外(wai)的功能(neng)模塊，充電(dian)電(dian)流(liu)或設備(bei)的負載電(dian)流(liu)不(bu)會(hui)超(chao)過內部編程好的限(xian)(xian)定值。為(wei)了(le)符合(he)USB規范(fan)，而(er)瞬(shun)態電(dian)流(liu)又可能(neng)高(gao)達(da)550mA，因此電(dian)流(liu)極限(xian)(xian)必須(xu)高(gao)于(yu)這(zhe)個值。這(zhe)個功能(neng)集成在更先(xian)進(jin)的型號NCP361之中(zhong)。這(zhe)兩款產(chan)品都提(ti)供熱保(bao)護(hu)(hu)功能(neng)。
解決方案
考(kao)慮(lv)到USB廣泛應用(yong)于兩個(ge)器(qi)件之間的(de)通信，而(er)且從現在起，還(huan)要為鋰離子(zi)電(dian)池充電(dian)，平(ping)臺制(zhi)造商都(dou)會在設計中集成USB連接器(qi)。安森(sen)美(mei)半導(dao)體(ti)公司提(ti)供的(de)NCP360和(he)NCP361能(neng)夠(gou)同時(shi)提(ti)高電(dian)子(zi)IC和(he)最終用(yong)戶的(de)安全性(xing)。這些(xie)完全集成的(de)解決方(fang)案符(fu)合(he)USB1.0和(he)2.0版規范，電(dian)流消耗非(fei)常低，而(er)且具有實(shi)際(ji)市場上最快的(de)關閉(bi)時(shi)間性(xing)能(neng)。
為了覆蓋滿足中國新充電標準(zhun)的(de)大多(duo)數應用(yong)要求，安森(sen)美半導體公(gong)司提供了多(duo)種(zhong)不同(tong)的(de)OVLO型號。其OVP或(huo)OVP+OCP版本(ben)可以提供μDFN和TSOP5兩種(zhong)不同(tong)封裝，后者在解決(jue)方案成本(ben)和熱性(xing)能方面(mian)具有(you)折衷性(xing)能。