概述

對于1.2A限流，通常認為在發(fā)生故障或短路時電路保護IC會保持在完全受控狀態(tài),。而實際情況是,，在達到限流條件后通常需要一個延時才能真正關閉開關。發(fā)生硬件短路時,，電流迅速上升,，首先會達到直流限制條件并開始關閉開關(直流限制可以非常精確，但反應速度較慢,，較慢的反應速度可以避免浪涌和其它偽故障事件造成開關閉合),。雖然開關會在短時間內(nèi)斷開，但此時峰值電流可能已經(jīng)遠遠高于直流門限,。引線寄生電感較低時,，電流可能上升更快。請參考圖1,。

 

通過電阻限制電流

我們采用具有較低引線電感的MAX1558 USB開關,，發(fā)生硬件短路時,，通過芯片內(nèi)部保護開關實現(xiàn)電流限制,。當保護電路最終斷開開關時,，可以測量到峰值電流(I)，這個過程如圖2所示,。峰值電流流過輸入端的寄生電感(LSTRAY),，將儲存以下能量(E)：

E = ½ × LSTRAY × I²

斷路器或保護開關斷開后，能量會消耗到哪里呢?


圖1. 該電路表明了硬件短路時的電流路徑以及寄生電感驅(qū)動下的電流路徑


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圖2. 波形顯示了具有10µF CBYPASS情況下的短路響應，從VIN波形可以看出：由于電流變化使得輸入電壓上沖到了8.6V,。

從圖2可以看出：輸入電流(IIN)很快上升到48.8A,，然后被限制。開關斷開時,，可以測量到電流下降的速率,，當IIN以20A/µs下降時，VIN將上沖到8.6V (VMAX),，可以根據(jù)下式計算電路電感：

(VMAX - VIN) = di/dt × LSTRAY

當VMAX - VIN = 3.6V,，di/dt = 20A/µs時，LSTRAY = 180nH,。

所以,，根據(jù)E = ½ × LSTRAY × I²，故障結(jié)束時有214µJ的能量存儲在LSTRAY中,。需要利用旁路電容吸收這部分能量并限制電壓的上升,。如果選擇10µF輸入電容，初始電壓為5V,，初始儲能為：

½ × C × V² = E

現(xiàn)在,，假設所有存儲在LSTRAY中的能量最終都轉(zhuǎn)移到輸入電容CBYPASS上，那么：

初始能量 + 寄生能量 = 最終能量
125µJ + 214µJ = 339µJ

339µJ是輸入電容的最終能量,，根據(jù)：

½ × C × V² = E

或：

½ × 10µF × V² = 339µJ

求解V,，得到：V = 8.23V。這與圖2中的8.6V測量值非常接近,。

如果輸入旁路電容只有0.1μF,，輸入電壓將上升到具有破壞性的電壓值。按照0.1µF重新計算：

初始能量 + 寄生能量 = 最終能量
1.25µJ + 214µJ = 215µJ

并且：

½ × 0.1µF × V² = 215µJ

求解V,，得到：V = 65.6V,！

顯然，這個過程將損壞額定電壓只有5.5V的器件,。對于這種情況下的硬件短路波形如圖3所示,，注意輸出也會上沖到9.8V,，這是由于短路后才會斷開開關，它也取決于本次測試時的快速di/dt變化,。通常di/dt由功率器件的關斷特性決定,。對于USB口，電路取決于終端用戶—存在任何可能性,，但在掌控之內(nèi),。引起這樣極端的快速關斷的原因可能是由于電纜斷裂、連接器發(fā)生問題,，或連接過程中的機械故障,，如本例所示。


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圖3. 從波形可以看出,，若輸入電容只有0.1µF,，輸入電壓會上沖到一個潛在的破壞性高壓。

當然電壓不會上沖到66V理論計算值,，這是因為芯片內(nèi)部集成了齊納保護管,，可以鉗制電壓的上升，并可能由于吸收能量而被損壞,。發(fā)生過壓的過程中,，額外的能量被硅片吸收。下面的圖4是圖3的時間展開圖,。


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圖4. 圖3的時間展開圖，注意到開關關斷期間較高的di/dt變化率,，部分存儲能量已經(jīng)送至輸出端,！這將損壞USB開關。

從圖4可以看出,，對于相同電路,，較大的輸入旁路電容可以更好地應對硬件短路造成的寄生能量，從而提供額外保護,。通常,，帶有地層的印刷電路板(PCB)比測試當中的引線或?qū)嶒炇抑衅渌B接具有更小的寄生電感。在實驗室做測試時,，降低連接線和測試設備的寄生電感非常困難,。
 

輸入電感限制峰值電流

圖5所示,，即使存在高達1.3µH的輸入引線電感，如果使用10µF的旁路電容,，器件仍然可以免于損壞,。


MAX1558-MAX1558H中文資料(PDF, 692kB)
圖5. 此波形顯示了輸入長引線產(chǎn)生的寄生電感較大(1.3µH)時的情況,，同樣使用10µF輸入旁路電容。注意：輸入電流的上升和下降比較緩慢,。當輸入電壓超過8V時,，器件也會發(fā)生齊納擊穿，電流被泄漏到輸出端(可以由波形圖中的IOUT看出),，但開關不會損壞,。

從圖5可以看出，較大的電感減緩了輸入電流的上升,、下降速度,。這一點很重要，電感較大時電流的變化速率大大降低,。因為存儲在電感內(nèi)部的能量與電流平方成正比,，與電感成正比關系，較高的峰值電流會存儲更多的能量,。存儲在1.3µH電感的能量僅為419µJ：

125µJ + 419µJ = 544µJ

并且

½ × 10µF × V² = 544µJ

由上式求解V,，得到：V = 10.43V。

雖然器件在這硬件短路時幸免于難,，但仍推薦選用一個更大的輸入旁路電容,，以限制最大電壓，使其低于數(shù)據(jù)資料中規(guī)定的極限參數(shù),。

結(jié)論

如果設計中沒有考慮存儲在寄生電感中能量,，USB器件可能由于過壓而造成損壞。圖5所示,，輸入電感可以是峰值電流的限制因素,，從圖2可以看出電阻也可以限制電流。如果電流被限制在導致器件損壞的電平以下,，較低的電感有助于改善電路的安全工作,。如果電流沒有得到應有的限制,，能量在低電感情況下釋放可能迅速達到破壞性水平。需要特別注意避免這種情況的發(fā)生,。圖2所示電路中,，電流由0.1Ω電阻限制。雖然減小電感后會使電流的上升速度提高,，如果采取適當?shù)南蘖鞔胧?，較小的電感有助于降低儲能。

大多數(shù)PCB設計在保護開關以及輸入輸出路徑下方都有一個地層,，電感通常遠遠低于180nH,。對于下方有地層的1/16英寸寬的PCB走線，每英寸長度大約會產(chǎn)生10nH電感,。應根據(jù)具體應用環(huán)境,，確定所需要的輸入旁路電容。從電感的測量,、分析結(jié)果看,，可能需要更大的旁路電容來保證系統(tǒng)的可靠性，當然,，也有可能允許降低輸入旁路電容,。