中心議題：

• 電氣特性
• 如何設計保護電路
• 不同的保護等級

解決方案：

• 設計過壓保護電路
• 良好的保護器件

如今大多數電子設備都有USB連接器，它們通過USB實現數據交換或對便攜設備的電池充電。雖然USB這種通信協議已經相當普及
，但當目標應用需要通過USB連接為設備供電時
，必須注意一些安全防範措施。

1. 電氣特性和防護措施

通過USB連接的下遊係統可以由多種類型的主機來供電。

在連接個人計算機(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規範明 確定義：額定電壓為5V
，最高可達5.25V。事實上
，較長的線纜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移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，這些因素對連接的外設可能造成潛在危害。

通常Vbus引腳連接至收發器的電源輸入引腳(有時會通過最大額定電壓為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引腳。

但用戶也可以連接外設為內置鋰離子電池充電(如圖1的牆適配器部分)，然後使用市場上出售的牆適配器。在這個案例中，僅有Vbus引腳和GND被連接，而D+和D-被短路。

圖1：通過外設為內置電池充電。

根(gen)據(ju)這(zhe)種(zhong)適(shi)配(pei)器(qi)的(de)質(zhi)量(liang)和(he)複(fu)雜(za)程(cheng)度(du)，其(qi)輸(shu)出(chu)電(dian)壓(ya)可(ke)能(neng)發(fa)生(sheng)遠(yuan)遠(yuan)超(chao)過(guo)製(zhi)造(zao)目(mu)前(qian)小(xiao)型(xing)便(bian)攜(xie)式(shi)產(chan)品(pin)所(suo)需(xu)敏(min)感(gan)電(dian)子(zi)元(yuan)件(jian)最(zui)大(da)額(e)定(ding)值(zhi)的(de)輸(shu)出(chu)瞬(shun)態(tai)現(xian)象(xiang)。

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。 通過在設備前麵設計過壓保護(OVP)器件，浪湧效應和主機不盡責現象可以被消除。

2. 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。

一個主機能夠發出恢複指令或遠程喚醒指令來激活另一個待機 狀態的主機。上述要點表明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器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)。

圖2：USB器件暫停模式下的電流消耗。[page]

OVP內核(圖2)采用的是PMOS驅動器
，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過衝。

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輸出端的電子元器件。為了解決這個問題
，必須在輸出引腳上連接一個輸出電容，並盡量靠近OVP器件擺放。

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


，從而在PMOS驅動器喚醒期間維持一個比門電位更低的電壓(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)閥值由發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係統中第一個元件的最大額定電壓。

通常OVLO的中心位於5.675V，能夠有效保護下遊係統，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
，也提供了與牆適配器電源兼容的OVLO和UVLO參數值。

在設計OVP部分時，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)

，必須優化熱傳遞
，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的封 裝(如NCP360 μDFN)。器件數據手冊中提供了RθJA圖表
，也可以聯係安森美半導體銷售代表了解進一步信息。

如今大多數電子設備都有USB連接器，它們通過USB實 現數據交換和/或對便攜設備的電池充電。雖然USB這種通信協議已經相當普及，但當目標應用需要通過USB連接為設備供電時，必須注意一些安全防範措施。

3. 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
，浪湧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湧行為，OVP器件中通常都包含了軟啟動順序。這個特殊順序貫穿於PFet門的逐漸上升過程中，見圖4。[page]

圖 4：克服浪湧的OVP器件的軟啟動過程。

即便出現Vusb或牆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，這得益於4ms的軟啟動控製。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器件的關閉時間從突破OVLO閥值開始算到Vout引腳下降為止。NCP360盡管消耗電流極低
，但具有極快的關閉時間。典型值700ns/最大值1.5μs的關閉時間使得該器件成為當今市場上一流的器件
，如圖5所示。

 

 

圖5：NCP360具有極快的關閉時間。

為了提供更高的保護等級，這些器件中可以加入過流保護(OCP)特性。通過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超過內部編程好的限定值。為了符合USB規範，而瞬態電流又可能高達550mA，因此電流極限必須高於這個值。這個功能集成在更先進的型號NCP361之中。這兩 款產品都提供熱保護功能。