中心議題：
- 電氣特性
- 如何設(shè)計保護電路
- 不同的保護等級
解決方案：
- 設(shè)計過壓保護電路
- 良好的保護器件
如今大多數(shù)電子設(shè)備都有USB連接器，它們通過USB實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換或?qū)Ρ銛y設(shè)備的電池充電。雖然USB這種通信協(xié)議已經(jīng)相當(dāng)普及，但當(dāng)目標(biāo)應(yīng)用需要通過USB連接為設(shè)備供電時，必須注意一些安全防范措施。
1. 電氣特性和防護措施
通過USB連接的下游系統(tǒng)可以由多種類型的主機來供電。
在連接個人計算機(PC)等標(biāo)準(zhǔn)USB源設(shè)備時，連接器上將包含Vbus電源端子和數(shù)據(jù)端子(D+和D-)。Vbus電壓值由USB規(guī)范明 確定義：額定電壓為5V，最高可達5.25V。事實上，較長的線纜會因串連電感產(chǎn)生振鈴現(xiàn)象。這個最大振鈴紋波電壓取決于移動設(shè)備的輸入電容和寄生電感。 售后非原配件往往具有較低的性能，電纜也會有較高的寄生參數(shù)，這些因素對連接的外設(shè)可能造成潛在危害。
通常Vbus引腳連接至收發(fā)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(wěn)壓器進行連接)，在Vbus電源用于對鋰離子電池充電時(大多數(shù)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。
但用戶也可以連接外設(shè)為內(nèi)置鋰離子電池充電(如圖1的墻適配器部分)，然后使用市場上出售的墻適配器。在這個案例中，僅有Vbus引腳和GND被連接，而D+和D-被短路。
圖1：通過外設(shè)為內(nèi)置電池充電。
根據(jù)這種適配器的質(zhì)量和復(fù)雜程度，其輸出電壓可能發(fā)生遠遠超過制造目前小型便攜式產(chǎn)品所需敏感電子元件最大額定值的輸出瞬態(tài)現(xiàn)象。
對一些交流-直流電源的基準(zhǔn)測試顯示出不良的線路穩(wěn)壓性能，而在存在光耦反饋(開關(guān)充電器)損耗的情況下更糟糕，輸出電壓可能升高至20V。 通過在設(shè)備前面設(shè)計過壓保護(OVP)器件，浪涌效應(yīng)和主機不盡責(zé)現(xiàn)象可以被消除。
2. 如何設(shè)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。為了節(jié)省功率，在沒有數(shù)據(jù)流量時USB將進入暫停 模式。當(dāng)器件處在暫停模式，而且又是總線供電的話，器件將不能從總線抽取超過500μA的電流。
一個主機能夠發(fā)出恢復(fù)指令或遠程喚醒指令來激活另一個待機 狀態(tài)的主機。上述要點表明OVP電路需要滿足不同指標(biāo)要求，如電流能力、散熱、欠壓和過壓保護及靜態(tài)電流消耗。
當(dāng)處在暫停模式時，與Vbus線路串連的OVP器件將呈現(xiàn)最低的電流消耗，并由收發(fā)器啟動序列喚醒過程(圖2)。
圖2：USB器件暫停模式下的電流消耗。[page]
OVP內(nèi)核(圖2)采用的是PMOS驅(qū)動器，因此電流消耗極低。為了通過PMOS旁路元件消除任何類型的寄生耦合電壓，必須在盡可能靠近OVP器件的地方安排一些小型輸入和輸出電容(圖3)。
圖3：利用輸出電容來消除瞬態(tài)過沖。
在圖3的案例2中，輸出電容已被移除。這樣，當(dāng)OVP器件輸入端出現(xiàn)快速輸入瞬態(tài)現(xiàn)象時，旁路元件將保持開路。這時可以在輸出端觀察到過 沖，這個過沖可能會損壞連接至OVP輸出端的電子元器件。為了解決這個問題，必須在輸出引腳上連接一個輸出電容，并盡量靠近OVP器件擺放。
由于源極和漏極之間存在PMOS寄生電容，在輸入脈沖期間正電壓電平將被傳遞，從而在PMOS驅(qū)動器喚醒期間維持一個比門電位更低的電壓(電容填充)。1個1μF的陶瓷電容足以解決這個問題。見圖3中的案例1。
另一個要點是過壓閥值的定義。過壓鎖定(OVLO)和欠壓鎖定(UVLO)閥值由發(fā)生欠壓或過壓事件時切斷旁路元件的內(nèi)部電容所確定。 OVLO電平必須高于Vbus最大工作輸出電壓(5.25V)加上比較器的滯后電壓。同樣，UVLO參數(shù)的最大值必須低于系統(tǒng)中第一個元件的最大額定電壓。
通常OVLO的中心位于5.675V，能夠有效保護下游系統(tǒng)，使其承受6V的電壓，而Vusb紋波電壓可達5.25V。此前的文章(參考資料1)中提 供了更詳細的資料，也提供了與墻適配器電源兼容的OVLO和UVLO參數(shù)值。
在設(shè)計OVP部分時，鑒于驅(qū)動關(guān)鍵電流的內(nèi)部MOSFET的原因，不應(yīng)忽視散熱問題。大家已經(jīng)明白為什么建議這類保護使用PMOS(低電流 消耗)，而且由于PFet比NFet擁有更高的導(dǎo)通阻抗(Rdson)，必須優(yōu)化熱傳遞，以避免熱能損壞。根據(jù)應(yīng)用所需的功率，建議采用具有裸露焊盤的封 裝(如NCP360 μDFN)。器件數(shù)據(jù)手冊中提供了RθJA圖表，也可以聯(lián)系安森美半導(dǎo)體銷售代表了解進一步信息。
如今大多數(shù)電子設(shè)備都有USB連接器，它們通過USB實 現(xiàn)數(shù)據(jù)交換和/或?qū)Ρ銛y設(shè)備的電池充電。雖然USB這種通信協(xié)議已經(jīng)相當(dāng)普及，但當(dāng)目標(biāo)應(yīng)用需要通過USB連接為設(shè)備供電時，必須注意一些安全防范措施。
3. 幾種不同的保護等級
正如“電氣特性和防護措施”小節(jié)所述那樣，浪涌電流是造成器件電氣損壞的根源之一，需要采用OVP器件來克服這一問題。為了避免任何類型的浪涌行為，OVP器件中通常都包含了軟啟動順序。這個特殊順序貫穿于PFet門的逐漸上升過程中，見圖4。[page]
圖 4：克服浪涌的OVP器件的軟啟動過程。
即便出現(xiàn)Vusb或墻適配器快速輸出上升(熱插)，在器件的Vout端也觀察不到電壓尖峰，這得益于4ms的軟啟動控制。這種保護的最關(guān)鍵特性是能以最快速度檢測到任何過壓情況，然后將內(nèi)部FET開路。
OVP器件的關(guān)閉時間從突破OVLO閥值開始算到Vout引腳下降為止。NCP360盡管消耗電流極低，但具有極快的關(guān)閉時間。典型值700ns/最大值1.5μs的關(guān)閉時間使得該器件成為當(dāng)今市場上一流的器件，如圖5所示。
圖5：NCP360具有極快的關(guān)閉時間。
為了提供更高的保護等級，這些器件中可以加入過流保護(OCP)特性。通過提供這種額外的功能模塊，充電電流或設(shè)備的負載電流不會超過內(nèi)部編程好的限定值。為了符合USB規(guī)范，而瞬態(tài)電流又可能高達550mA，因此電流極限必須高于這個值。這個功能集成在更先進的型號NCP361之中。這兩 款產(chǎn)品都提供熱保護功能。
