透過(guò)USB連接器確保電源和充電組件安全性

今天，大多數電子設備都擁有USB連接器，它們透過(guò)USB實(shí)現數據交換和/或對可攜設備的電池充電。雖然USB這種通訊協(xié)議已經(jīng)相當普及，但當目標應用需要透過(guò)USB連接為設備供電時(shí)，仍須注意一些安全防范措施。

電氣特性和防護措施

透過(guò)USB連接的下游系統可透過(guò)多種類(lèi)型的主機供電。

在連接個(gè)人計算機(PC)等標準USB源設備時(shí)，連接器上將包含Vbus電源端子和數據端子(D+和D-)。Vbus電壓值由USB規格明確定義：額定電壓為5V，最高可達5.25V。事實(shí)上，較長(cháng)的纜線(xiàn)會(huì )因串連電感產(chǎn)生振鈴現象。這個(gè)最大振鈴紋波電壓取決于行動(dòng)設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(huì )有較高的寄生參數，這些因素對連接的外圍設備可能造成潛在危害。

通常Vbus接腳連接至收發(fā)器的電源輸入接腳(有時(shí)會(huì )透過(guò)最大額定電壓為6V的低壓降穩壓器進(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接腳。

但用戶(hù)也可以連接外圍設備為內建鋰離子電池充電(如圖1的墻配接器部份)，然后使用市場(chǎng)上出售的墻配接器。在這個(gè)案例中，僅有Vbus接腳和GND被連接，而D+和D-被短路。

圖1：透過(guò)外圍設備為內建電池充電。

根據這種配接器的質(zhì)量和復雜程度，其輸出電壓可能產(chǎn)生遠遠超過(guò)制造目前小型可攜式產(chǎn)品所需感應電子組件最大額定值的輸出瞬態(tài)現象。

對一些交流-直流電源的基準測試顯示出不良的線(xiàn)路穩壓性能，而在存在光耦反饋(開(kāi)關(guān)充電器)損耗的情況下更糟糕，輸出電壓可能升高至20V。

透過(guò)在設備前面設計過(guò)壓保護(OVP)組件，突波效應和主機不盡責現象可以被消除。

如何設計

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。為了節省功率，在沒(méi)有數據流量時(shí)USB將進(jìn)入暫停模式。當組件處在暫停模式，而且又是總線(xiàn)供電的話(huà)，組件將不能從總線(xiàn)抽取超過(guò)500μA的電流。一個(gè)主機能夠發(fā)出恢復指令或遠程喚醒指令來(lái)啟動(dòng)另一個(gè)待機狀態(tài)的主機。上述要點(diǎn)顯示OVP電路需要滿(mǎn)足不同指針要求，如電流能力、散熱、欠壓和過(guò)壓保護及靜態(tài)電流消耗。

當處在暫停模式時(shí)，與Vbus線(xiàn)路串連的OVP組件將呈現最低的電流消耗，并由收發(fā)器啟動(dòng)序列喚醒過(guò)程(圖2)。

OVP核心(圖2)采用的是PMOS驅動(dòng)器，因此電流消耗極低。為了透過(guò)PMOS旁路組件消除任何類(lèi)型的寄生耦合電壓，必須在盡可能靠近OVP組件的地方安排一些小型輸入和輸出電容(圖3)。

圖2：USB組件暫停模式下的電流消耗。

在圖3的案例2中，輸出電容已被移除。這樣，當OVP組件輸入端出現快速輸入瞬態(tài)現象時(shí)，旁路組件將保持開(kāi)路。這時(shí)可以在輸出端觀(guān)察到過(guò)沖，這個(gè)過(guò)沖可能會(huì )損壞連接至OVP輸出端的電子零組件。為了解決這個(gè)問(wèn)題，必須在輸出接腳上連接一個(gè)輸出電容，并盡量靠近OVP組件擺放。

圖3：利用輸出電容來(lái)消除瞬態(tài)過(guò)沖。

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，因而在PMOS驅動(dòng)器喚醒期間維持一個(gè)比閘電位更低的電壓(電容填充)。1個(gè)1μF的陶瓷電容足以解決這個(gè)問(wèn)題。見(jiàn)圖3中的案例1。

另一個(gè)要點(diǎn)是過(guò)壓閥值的定義。過(guò)壓鎖定(OVLO)和欠壓鎖定(UVLO)閥值由產(chǎn)生欠壓或過(guò)壓事件時(shí)切斷旁路組件的內部電容所確定。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參數的最大值必須低于系統中第一個(gè)組件的最大額定電壓。通常OVLO的中心位于5.675V，能夠有效保護下游系統，使其承受6V的電壓，而Vusb紋波電壓可達5.25V。此前的文章(參考數據1)中提供了更詳細的數據，也提供了與墻配接器電源兼容的OVLO和UVLO參數值。

在設計OVP部份時(shí)，鑒于驅動(dòng)關(guān)鍵電流的內部MOSFET的原因，不應忽視散熱問(wèn)題。大家已經(jīng)明白為什么建議這類(lèi)保護使用PMOS(低電流消耗)，而且由于PFet比NFet擁有更高的導通阻抗(Rdson)，必須最佳化熱傳遞，以避免熱能損壞。根據應用所需的功率，建議采用具有裸露焊盤(pán)的封裝(如NCP360 μDFN)。

幾種不同的保護等級

正如‘電氣特性和防護措施’小節所述那樣，突波電流是造成組件電氣損壞的根源之一，需要采用OVP組件來(lái)克服這一問(wèn)題。為了避免任何類(lèi)型的突波行為，OVP組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閘的逐漸上升過(guò)程中，見(jiàn)圖4。

圖 4：克服突波的OVP組件的軟啟動(dòng)過(guò)程。

即便出現Vusb或墻配接器快速輸出上升(熱插)，在組件的Vout端也觀(guān)察不到電壓尖峰，這得益于4ms的軟啟動(dòng)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(guò)壓情況，然后將內部FET開(kāi)路。

OVP組件的關(guān)閉時(shí)間從突破OVLO閥值開(kāi)始算到Vout接腳下降為止。NCP360盡管消耗電流極低，但具有典型值700ns/最大值1.5μs的極快關(guān)閉時(shí)間(圖5)。

圖5：NCP360具有極快的關(guān)閉時(shí)間。

為了提供更高的保護等級，這些組件中可以加入過(guò)流保護(OCP)特性。透過(guò)提供這種額外的功能模塊，充電電流或設備的負載電流不會(huì )超過(guò)內部編程好的限定值。為了符合USB規格，而瞬態(tài)電流又可能高達550mA，因此電流極限必須高于這個(gè)值。這個(gè)功能整合在更先進(jìn)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廣泛應用于兩個(gè)組件之間的通訊，而且從現在起，還要為鋰離子電池充電，平臺制造商都會(huì )在設計中整合USB連接器。安森美半導體公司提供的NCP360和NCP361能夠同時(shí)提高電子IC和最終用戶(hù)的安全性。這些完全整合的解決方案符合USB1.0和2.0版規格，電流消耗非常低，而且具有實(shí)際市場(chǎng)上最快的關(guān)閉時(shí)間性能。

為了覆蓋滿(mǎn)足中國新充電標準的大多數應用要求，安森美半導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。