如何通過USB連接器保護(hù)電源和充電器件的安全

如今大多數(shù)電子設(shè)備都有USB連接器，它們通過USB實(shí)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(shí)，必須注意一些安全防范措施。

電氣特性和防護(hù)措施

通過USB連接的下游系統(tǒng)可以由多種類型的主機(jī)來供電。

在連接個(gè)人計(jì)算機(jī)(PC)等標(biāo)準(zhǔn)USB源設(shè)備時(shí)，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(dá)5.25V。事實(shí)上，較長的線纜會因串連電感產(chǎn)生振鈴現(xiàn)象。這個(gè)最大振鈴紋波電壓取決于移動(dòng)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(shí)會通過最大額定電壓為6V的低壓降穩(wěn)壓器進(jìn)行連接)，在Vbus電源用于對鋰離子電池充電時(shí)(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(gè)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(yuǎn)遠(yuǎn)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(jì)過壓保護(hù)(OVP)器件，浪涌效應(yīng)和主機(jī)不盡責(zé)現(xiàn)象可以被消除。

如何設(shè)計(jì)

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(dá)500mA。為了節(jié)省功率，在沒有數(shù)據(jù)流量時(shí)USB將進(jìn)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(gè)主機(jī)能夠發(fā)出恢復(fù)指令或遠(yuǎn)程喚醒指令來激活另一個(gè)待機(jī)狀態(tài)的主機(jī)。上述要點(diǎn)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(hù)及靜態(tài)電流消耗。

當(dāng)處在暫停模式時(shí)，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(dòng)序列喚醒過程(圖2)。

圖2：USB器件暫停模式下的電流消耗。

OVP內(nèi)核(圖2)采用的是PMOS驅(qū)動(dòng)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(shí)，旁路元件將保持開路。這時(shí)可以在輸出端觀察到過沖，這個(gè)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(gè)問題，必須在輸出引腳上連接一個(gè)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(dòng)器喚醒期間維持一個(gè)比門電位更低的電壓(電容填充)。1個(gè)1μF的陶瓷電容足以解決這個(gè)問題。見圖3中的案例1。

另一個(gè)要點(diǎn)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(shí)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(gè)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(hù)下游系統(tǒng)，使其承受6V的電壓，而Vusb紋波電壓可達(dá)5.25V。此前的文章(參考資料1)中提供了更詳細(xì)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(jì)OVP部分時(shí)，鑒于驅(qū)動(dòng)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(hù)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(jìn)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(shí)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(shí)，必須注意一些安全防范措施。

電氣特性和防護(hù)措施

通過USB連接的下游系統(tǒng)可以由多種類型的主機(jī)來供電。

在連接個(gè)人計(jì)算機(jī)(PC)等標(biāo)準(zhǔn)USB源設(shè)備時(shí)，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(dá)5.25V。事實(shí)上，較長的線纜會因串連電感產(chǎn)生振鈴現(xiàn)象。這個(gè)最大振鈴紋波電壓取決于移動(dòng)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(shí)會通過最大額定電壓為6V的低壓降穩(wěn)壓器進(jìn)行連接)，在Vbus電源用于對鋰離子電池充電時(shí)(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(gè)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(yuǎn)遠(yuǎn)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(jì)過壓保護(hù)(OVP)器件，浪涌效應(yīng)和主機(jī)不盡責(zé)現(xiàn)象可以被消除。

如何設(shè)計(jì)

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(dá)500mA。為了節(jié)省功率，在沒有數(shù)據(jù)流量時(shí)USB將進(jìn)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(gè)主機(jī)能夠發(fā)出恢復(fù)指令或遠(yuǎn)程喚醒指令來激活另一個(gè)待機(jī)狀態(tài)的主機(jī)。上述要點(diǎn)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(hù)及靜態(tài)電流消耗。

當(dāng)處在暫停模式時(shí)，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(dòng)序列喚醒過程(圖2)。

圖2：USB器件暫停模式下的電流消耗。

OVP內(nèi)核(圖2)采用的是PMOS驅(qū)動(dòng)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(shí)，旁路元件將保持開路。這時(shí)可以在輸出端觀察到過沖，這個(gè)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(gè)問題，必須在輸出引腳上連接一個(gè)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(dòng)器喚醒期間維持一個(gè)比門電位更低的電壓(電容填充)。1個(gè)1μF的陶瓷電容足以解決這個(gè)問題。見圖3中的案例1。

另一個(gè)要點(diǎn)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(shí)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(gè)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(hù)下游系統(tǒng)，使其承受6V的電壓，而Vusb紋波電壓可達(dá)5.25V。此前的文章(參考資料1)中提供了更詳細(xì)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(jì)OVP部分時(shí)，鑒于驅(qū)動(dòng)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(hù)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(jìn)一步信息。

幾種不同的保護(hù)等級

正如“電氣特性和防護(hù)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(dòng)順序。這個(gè)特殊順序貫穿于PFet門的逐漸上升過程中，見圖4。

圖 4：克服浪涌的OVP器件的軟啟動(dòng)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(dòng)控制。這種保護(hù)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(shí)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(shí)間。

典型值700ns/最大值1.5μs的關(guān)閉時(shí)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(shí)間。

為了提供更高的保護(hù)等級，這些器件中可以加入過流保護(hù)(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(fù)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(dá)550mA，因此電流極限必須高于這個(gè)值。這個(gè)功能集成在更先進(jìn)的型號NCP361之中。這兩款產(chǎn)品都提供熱保護(hù)功能。

解決方案

考慮到USB廣泛應(yīng)用于兩個(gè)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(jì)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(shí)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(shí)際市場上最快的關(guān)閉時(shí)間性能。

為了覆蓋滿足中國新充電標(biāo)準(zhǔn)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。