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

摘要：固態(tài)過(guò)流保護(hù)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(hù)方法，在生產(chǎn)測(cè)試或用戶(hù)使用不當(dāng)發(fā)生過(guò)載或短路時(shí)提供有效的系統(tǒng)保護(hù)。這些器件的保護(hù)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(duì)于1.2A限流，通常認(rèn)為在發(fā)生故障或短路時(shí)電路保護(hù)IC會(huì)保持在完全受控狀態(tài)。而實(shí)際情況是，在達(dá)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(dá)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(yīng)速度較慢，較慢的反應(yīng)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(nèi)斷開(kāi)，但此時(shí)峰值電流可能已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(qǐng)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(nèi)部保護(hù)開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)電流限制。當(dāng)保護(hù)電路最終斷開(kāi)開(kāi)關(guān)時(shí)，可以測(cè)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(chǔ)存以下能量(E)：

E = ½ × LSTRAY × I²

斷路器或保護(hù)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(qū)動(dòng)下的電流路徑


詳細(xì)圖片(PDF, 732kB)
圖2. 波形顯示了具有10µF CBYPASS情況下的短路響應(yīng)，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(cè)量到電流下降的速率，當(dāng)IIN以20A/µs下降時(shí)，VIN將上沖到8.6V (VMAX)，可以根據(jù)下式計(jì)算電路電感：

(VMAX - VIN) = di/dt × LSTRAY

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

所以，根據(jù)E = ½ × LSTRAY × I²，故障結(jié)束時(shí)有214µJ的能量存儲(chǔ)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(chǔ)能為：