- USB供電的電氣特性和防護措施
- 幾種不同的保護等級
- 應用安森美半導體公司提供的NCP360和NCP361提高安全性
如今大多數電子設備都有USB連接器，它們通過(guò)USB實(shí)現數據交換和/或對便攜設備的電池充電。雖然USB這種通信協(xié)議已經(jīng)相當普及，但當目標應用需要通過(guò)USB連接為設備供電時(shí)，必須注意一些安全防范措施。
電氣特性和防護措施
通過(guò)USB連接的下游系統可以由多種類(lèi)型的主機來(lái)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規范明確定義：額定電壓為5V，最高可達5.25V。事實(shí)上，較長(cháng)的線(xiàn)纜會(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移動(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設可能造成潛在危害。
通常Vbus引腳連接至收發(fā)器的電源輸入引腳(有時(shí)會(huì )通過(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引腳。
但用戶(hù)也可以連接外設為內置鋰離子電池充電(如圖1的墻適配器部分)，然后使用市場(chǎng)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。
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。
通過(guò)在設備前面設計過(guò)壓保護(OVP)器件，浪涌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。當器件處在暫停模式，而且又是總線(xiàn)供電的話(huà)，器件將不能從總線(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)激活另一個(gè)待機狀態(tài)的主機。上述要點(diǎn)表明OVP電路需要滿(mǎn)足不同指標要求，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器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。
OVP內核采用的是PMOS驅動(dòng)器，因此電流消耗極低。為了通過(guò)PMOS旁路元件消除任何類(lèi)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OVP器件輸入端出現快速輸入瞬態(tài)現象時(shí)，旁路元件將保持開(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輸出端的電子元器件。為了解決這個(gè)問(wèn)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驅動(dòng)器喚醒期間維持一個(gè)比門(mén)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)閥值由發(fā)生欠壓或過(guò)壓事件時(shí)切斷旁路元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)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，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參數值。
在設計OVP部分時(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)，必須優(yōu)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)。器件數據手冊中提供了RθJA圖表，也可以聯(lián)系安森美半導體銷(xiāo)售代表了解進(jìn)一步信息。[page]
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，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(lái)克服這一問(wèn)題。為了避免任何類(lèi)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(mén)的逐漸上升過(guò)程中，見(jiàn)圖4。
即便出現Vusb或墻適配器快速輸出上升(熱插)，在器件的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器件的關(guān)閉時(shí)間從突破OVLO閥值開(kāi)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今市場(chǎng)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(guò)流保護(OCP)特性。通過(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(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)品都提供熱保護功能。
解決方案
考慮到USB廣泛應用于兩個(gè)器件之間的通信，而且從現在起，還要為鋰離子電池充電，平臺制造商都會(huì )在設計中集成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。這些完全集成的解決方案符合USB1.0和2.0版規范，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。
