- USB供電的電氣特性和防護措施
- 幾種不同的保護等級
USB供電保護的解決方案：
- 應(yīng)用安森美半導(dǎo)體公司提供的NCP360和NCP361提高安全性
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,。
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)等標準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,。
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。
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,。
OVP內(nèi)核采用的是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)。
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。
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,。
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。
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。
解決方案
考慮到USB廣泛應(yīng)用于兩個器件之間的通信,，而且從現(xiàn)在起,，還要為鋰離子電池充電，平臺制造商都會在設(shè)計中集成USB連接器,。安森美半導(dǎo)體公司提供的NCP360和NCP361能夠同時提高電子IC和最終用戶的安全性,。這些完全集成的解決方案符合USB1.0和2.0版規(guī)范，電流消耗非常低,，而且具有實際市場上最快的關(guān)閉時間性能,。
為了覆蓋滿足中國新充電標準的大多數(shù)應(yīng)用要求,，安森美半導(dǎo)體公司提供了多種不同的OVLO型號。其OVP或OVP+OCP版本可以提供μDFN和TSOP5兩種不同封裝,，后者在解決方案成本和熱性能方面具有折衷性能,。