通過USB連接器保護電源和充電器件安全

如今大多數(shù)電子設(shè)備都有USB連接器，它們通過USB實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換和/或?qū)Ρ銛y設(shè)備的電池充電。雖然USB這種通信協(xié)議已經(jīng)相當(dāng)普及，但當(dāng)目標(biāo)應(yīng)用需要通過USB連接為設(shè)備供電時，必須注意一些安全防范措施。

電氣特性和防護措施

通過USB連接的下游系統(tǒng)可以由多種類型的主機來供電。

在連接個人計算機(PC)等標(biāo)準(zhǔn)USB源設(shè)備時，連接器上將包含Vbus電源端子和數(shù)據(jù)端子(D+和D-)。Vbus電壓值由USB規(guī)范明確定義：額定電壓為5V，最高可達(dá)5.25V。事實上，較長的線纜會因串連電感產(chǎn)生振鈴現(xiàn)象。這個最大振鈴紋波電壓取決于移動設(shè)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，電纜也會有較高的寄生參數(shù)，這些因素對連接的外設(shè)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(有時會通過最大額定電壓為6V的低壓降穩(wěn)壓器進行連接)，在Vbus電源用于對鋰離子電池充電時(大多數(shù)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(shè)為內(nèi)置鋰離子電池充電(如圖1的墻適配器部分)，然后使用市場上出售的墻適配器。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(shè)為內(nèi)置電池充電。

根據(jù)這種適配器的質(zhì)量和復(fù)雜程度，其輸出電壓可能發(fā)生遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過制造目前小型便攜式產(chǎn)品所需敏感電子元件最大額定值的輸出瞬態(tài)現(xiàn)象。

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

通過在設(shè)備前面設(shè)計過壓保護(OVP)器件，浪涌效應(yīng)和主機不盡責(zé)現(xiàn)象可以被消除。

如何設(shè)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(dá)500mA。為了節(jié)省功率，在沒有數(shù)據(jù)流量時USB將進入暫停模式。當(dāng)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(fā)出恢復(fù)指令或遠(yuǎn)程喚醒指令來激活另一個待機狀態(tài)的主機。上述要點表明OVP電路需要滿足不同指標(biāo)要求，如電流能力、散熱、欠壓和過壓保護及靜態(tài)電流消耗。

當(dāng)處在暫停模式時，與Vbus線路串連的OVP器件將呈現(xiàn)最低的電流消耗，并由收發(fā)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。

OVP內(nèi)核(圖2)采用的是PMOS驅(qū)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(tài)過沖。