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透過USB連接器確保電源和充電元件安全性

上網時間: 2008年09月22日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:軟啟動  熱保護  USB 

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

電氣特性和防護措施

透過USB連接的下游系統可透過多種類型的主機供電。

在連接個人電腦(PC)等標準USB源設備時,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。事實上,較長的纜線會因串連電感產生振鈴現象。這個最大振鈴紋波電壓取決於行動設備的輸入電容和寄生電感。售後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,這些因素對連接的週邊設備可能造成潛在危害。

通常Vbus接腳連接至收發器的電源輸入接腳(有時會透過最大額定電壓為6V的低壓降穩壓器進行連接),在Vbus電源用於對鋰離子電池充電時(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。

但用戶也可以連接週邊設備為內建鋰離子電池充電(如圖1的牆配接器部份),然後使用市場上出售的牆配接器。在這個案例中,僅有Vbus接腳和GND被連接,而D+和D-被短路。

圖1:透過週邊設備為內建電池充電。
圖1:透過週邊設備為內建電池充電。

根據這種配接器的品質和複雜程度,其輸出電壓可能產生遠遠超過製造目前小型可攜式產品所需感應電子元件最大額定值的輸出瞬態現象。

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

透過在設備前面設計過壓保護(OVP)元件,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,在沒有數據流量時USB將進入暫停模式。當元件處在暫停模式,而且又是匯流排供電的話,元件將不能從匯流排抽取超過500μA的電流。一個主機能夠發出恢復指令或遠端喚醒指令來啟動另一個待機狀態的主機。上述要點顯示OVP電路需要滿足不同指標要求,如電流能力、散熱、欠壓和過壓保護及靜態電流消耗。

當處在暫停模式時,與Vbus線路串連的OVP元件將呈現最低的電流消耗,並由收發器啟動序列喚醒過程(圖2)。

OVP核心(圖2)採用的是PMOS驅動器,因此電流消耗極低。為了透過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元件的地方安排一些小型輸入和輸出電容(圖3)。

圖2:USB元件暫停模式下的電流消耗。
圖2:USB元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元件輸入端出現快速輸入瞬態現象時,旁路元件將保持開路。這時可以在輸出端觀察到過衝,這個過衝可能會損壞連接至OVP輸出端的電子零組件。為了解決這個問題,必須在輸出接腳上連接一個輸出電容,並盡量靠近OVP元件擺放。

圖3:利用輸出電容來消除瞬態過衝。
圖3:利用輸出電容來消除瞬態過衝。
圖3:利用輸出電容來消除瞬態過衝。

由於源極和漏極之間存在PMOS寄生電容,在輸入脈衝期間正電壓電平將被傳遞,因而在PMOS驅動器喚醒期間維持一個比閘電位更低的電壓(電容填充)。1個1μF的陶瓷電容足以解決這個問題。見圖3中的案例1。

另一個要點是過壓閥值的定義。過壓鎖定(OVLO)和欠壓鎖定(UVLO)閥值由產生欠壓或過壓事件時切斷旁路元件的內部電容所確定。OVLO電平必須高於Vbus最大工作輸出電壓(5.25V)加上比較器的滯後電壓。同樣,UVLO參數的最大值必須低於系統中第一個元件的最大額定電壓。通常OVLO的中心位於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,也提供了與牆配接器電源相容的OVLO和UVLO參數值。

在設計OVP部份時,鑒於驅動關鍵電流的內部MOSFET的原因,不應忽視散熱問題。大家已經明白為什麼建議這類保護使用PMOS(低電流消耗),而且由於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,建議採用具有裸露焊盤的封裝(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,突波電流是造成元件電氣損壞的根源之一,需要採用OVP元件來克服這一問題。為了避免任何類型的突波行為,OVP元件中通常都包含了軟啟動順序。這個特殊順序貫穿於PFet閘的逐漸上升過程中,見圖4。

圖 4:克服突波的OVP元件的軟啟動過程。
圖 4:克服突波的OVP元件的軟啟動過程。

即便出現Vusb或牆配接器快速輸出上升(熱插),在元件的Vout端也觀察不到電壓尖峰,這得益於4ms的軟啟動控制。這種保護的最關鍵特性是能以最快速度檢測到任何過壓情況,然後將內部FET開路。

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

圖5:NCP360具有極快的關閉時間。
圖5:NCP360具有極快的關閉時間。

為了提供更高的保護等級,這些元件中可以加入過流保護(OCP)特性。透過提供這種額外的功能模組,充電電流或設備的負載電流不會超過內部編程好的限定值。為了符合USB規格,而瞬態電流又可能高達550mA,因此電流極限必須高於這個值。這個功能整合在更先進的型號NCP361之中。這兩款產品都提供熱保護功能。

解決方案

考慮到USB廣泛應用於兩個元件之間的通訊,而且從現在起,還要為鋰離子電池充電,平台製造商都會在設計中整合USB連接器。安森美半導體公司提供的NCP360和NCP361能夠同時提高電子IC和最終用戶的安全性。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,而且具有實際市場上最快的關閉時間性能。

為了覆蓋滿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,後者在解決方案成本和熱性能方面具有折衷性能。

作者:Bernard Remaury

低壓電源應用及系統工程師

安森美半導體公司

Bernard.remaury@onsemi.com





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