固態(tài)USB開(kāi)關(guān)及其它過(guò)流保護器件的浪涌測試

摘要：固態(tài)過(guò)流保護IC，比如USB和卡槽的電源開(kāi)關(guān)，提供了一種簡(jiǎn)單、可靠的引腳保護方法，在生產(chǎn)測試或用戶(hù)使用不當發(fā)生過(guò)載或短路時(shí)提供有效的系統保護。這些器件的保護能力并非沒(méi)有限制，本文主要討論了這些限制因素。

概述

對于1.2A限流，通常認為在發(fā)生故障或短路時(shí)電路保護IC會(huì )保持在完全受控狀態(tài)。而實(shí)際情況是，在達到限流條件后通常需要一個(gè)延時(shí)才能真正關(guān)閉開(kāi)關(guān)。發(fā)生硬件短路時(shí)，電流迅速上升，首先會(huì )達到直流限制條件并開(kāi)始關(guān)閉開(kāi)關(guān)(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(kāi)關(guān)閉合)。雖然開(kāi)關(guān)會(huì )在短時(shí)間內斷開(kāi)，但此時(shí)峰值電流可能已經(jīng)遠遠高于直流門(mén)限。引線(xiàn)寄生電感較低時(shí)，電流可能上升更快。請參考圖1。

通過(guò)電阻限制電流

我們采用具有較低引線(xiàn)電感的MAX1558 USB開(kāi)關(guān)，發(fā)生硬件短路時(shí)，通過(guò)芯片內部保護開(kāi)關(guān)實(shí)現電流限制。當保護電路最終斷開(kāi)開(kāi)關(guān)時(shí)，可以測量到峰值電流(I)，這個(gè)過(guò)程如圖2所示。峰值電流流過(guò)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(kāi)關(guān)斷開(kāi)后，能量會(huì )消耗到哪里呢?


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


詳細圖片(PDF, 732kB)
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(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)，可以測量到電流下降的速率，當IIN以20A/µs下降時(shí)，VIN將上沖到8.6V (VMAX)，可以根據下式計算電路電感：

(VMAX - VIN) = di/dt × LSTRAY

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

所以，根據E = ½ × LSTRAY × I²，故障結束時(shí)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：