如何通过USB连接器保护电源和充电器件的安全
2010-12-20 11:34:35
来源：《半导体器件应用》2008年11月刊
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1通用串行总线(USB)应用
大多数电子设备中如今都有USB连接器，让交换数据和/或对便携设备进行电池充电。
虽然这种通信协定已经变得普及，但当您开发的应用以USB连接为设备供电时，必须注意一些防范措施。
2电气特性和防范措施
您想连接的下行系统能够以几种类型的主机端来供电。
连接个人计算机（PC）等标准USB源端时，可以采用连接器上的Vbus电源和数据端口（D+和D-）。Vbus电压电平由USB规范清楚定义：理论上额定电压为5V，最高可达5.25V。事实上，较长的线缆会因串行电感产生振铃（ringing）。最大纹波电压取决于移动系统的输入电容和寄生电感。后市场设备往往拥有较低的主机端性能，并拥有较高的寄生参数，对连接的外设可能造成潜在危险。通常Vbus引脚连接至收发器的电源输入引脚（有时是通过最大额定电压为6V的低压降稳压器）和/或在Vbus电源用于对锂离子电池进行充电时（大多数情况下最大额定电压为7V或10V）连接至充电器的输入引脚。
但我们也可以连接外设来为内置锂离子电池充电（图1墙式适配器部分），然后使用市场上提供的墙式适配器。在这个案例中，仅有Vbus引脚和GND被连接，而D+和D-短路。
根据这适配器的质量和复杂程度，其输出电压可远超过制造当今小巧便携产品所需敏感电子元件的最大额定值的输出瞬态现象。
一些交流-直流（AC-DC）电源的基准显示出不良的线路稳压，而在光耦反馈（开关电源充电器）损耗的情况下更糟糕，输出电压可能增加至20V。
通过在设备前面设计过压保护（OVP）器件，浪涌效应和主机端缺省值（host default）将会消除。
3如何设计
USB电流能力是正常模式100mA（未配置模式），而在配置模式下可高达500mA。为了节省功率，在没有观察到数据流量时USB进入暂停模式。当器件处在暂停模式时，如果是总线供电的话，它不能从总线消耗超过500μA的电流。主机端能够发出恢复指令或远程唤醒指令来激活闲置的主机。上述要点显示OVP电路需实现不同要求，如电流能力、散热、欠压和过压保护及静态电流消耗。
当处在暂停模式时，与Vbus线路呈串行布局的OVP器件将呈现最低的电流消耗，使收发器启动唤醒序列。（图2）
OVP内核（图2）基于PMOS驱动器，令电流消耗极低。消除任何类型的寄生耦合电压，通过PMOS旁路元件，小型输入和输出电容必须布置在尽可能接近OVP器件的位置。（图3）
在图3的案例2中，输出电容已被移除。这样，OVP器件输入端出现快速输入瞬态现象时，旁路元件保持开路。观察得到输出端的过冲，这可能会损坏连接至OVP输入端的电子元器件。消除这种行为，输出电容必须布设在OVP器件的输出引脚，与器件越接近越好。
由于源极和漏极之间的PMOS寄生电容，输入尖峰期间正电压电平被传输，在PMOS驱动器唤醒期间维持比门电势更低的电压（电容填充）。1个1μF的陶瓷电容足以解决这个问题。见图3中的案例1。
另一个要点是过压阀值的定义。过压锁定（OVLO）和欠压锁定（UVLO）阀值由在遇到欠压或过压事件时关闭旁路元件的内部电容所确定。OVLO电平必须高于Vbus最大工作输出电压（5.25V）加上比较器的滞后效应。同样，UVLO参数的最大值必须低于系统第一个元件的最大额定电压。通常OVLO集中在5.675V，使下行系统有强固保护能够承受6V电压，及高至5.25V的Vusb纹波电压。此前的文章（参考资料1）中提供了更多的相关详细资料。也提供另外与墙式适配器电源兼容的OVLO和UVLO。
当设计OVP部分时，由于能够驱动重要电流的内部MOSFET的缘故，不应忽视散热问题。我们已经明白为什么建议PMOS用于这些类型的保护（低电流消耗），而且由于PFet比NFet拥有更高的导通阻抗（Rdson），必须优化热传递，避免热能损坏。根据应用所需的功率，建议采用具有裸露焊盘的封装（如NCP360μDFN）。这器件的数据表中提供RθJA图表，或者您也可以联系安森美半导体销售代表了解进一步信息。
4几种不同的保护等级
如在“电气特性和防范措施”段落中所述，浪涌电流是电气损坏的其中一个根源，需要采用OVP器件。为了避免任何类型的浪涌行为，OVP器件中包括了软启动序列。这个特定序列存在于PFet门的逐渐上升之中。见图4。
即便出现Vusb或墙式适配器快速输出上升（热插），得益于4ms的软启动控制，器件的Vout端没有观察到电压尖峰。这种保护的最关键特性是其尽快地检测任何过压情况并将内部FET开路的能力。
OVP器件的关闭时间在OVLO阀值交叉和Vout引脚错检（fall-out）之间测量。NCP360能够结合极快的关闭时间，尽管消耗电流极低。
典型值700ns/最大值1.5μs的关闭时间使器件成为当今市场上的一流器件。图5。
为了增加更高的保护等级，这些器件中可以加入过流保护（OCP）特性。提供这额外的功能模块，充电电流或应用的负载电流不可超过内部设定的限制电流ilimit。为了符合USB规范且瞬态电流可高达550mA，电流限制必须高于这个值。这个功能集成在更先进的型号NCP361之中。这两款产品都提供热保护。
5安森美半导体解决方案
考虑到USB广泛应用于在两个器件之间通信，且从现在起，要为锂离子电池充电，平台制造商在设计中集成USB连接器。安森美半导体提供的NCP360和NCP361同时提高电子IC和终端用户的安全性。这些完全集成的解决方案符合USB1.0和2.0版规范，即便是极低的电流消耗也可提供实际市场上最快的关闭时间。安森美半导体提供几种不同的OVLO型号，覆盖大多数应用要求，特别是中国新的充电标准。
安森美半导体OVP或OVP+OCP版本分别采用?DFN和TSOP5两种不同封装。后者在解决方案成本和热性能方面带来极佳的折衷。
参考资料1：参见文章“Discrete Protection Solutions for Portable Charging”， Bernard Remaury，安森美半导体
关于作者
Bernard Remaury拥有11年的电子行业从业经验。他目前在安森美半导体低压电源管理部担任应用和系统工程师。他专注于针对便携电源管理IC的电池管理和保护应用。Bernard此前在摩托罗拉的无线部门工作，置身于摩托罗拉电源管理部门的发展。Bernard的电邮是： Bernard.remaury@onsemi.com。
大多数电子设备中如今都有USB连接器，让交换数据和/或对便携设备进行电池充电。
虽然这种通信协定已经变得普及，但当您开发的应用以USB连接为设备供电时，必须注意一些防范措施。
2电气特性和防范措施
您想连接的下行系统能够以几种类型的主机端来供电。
连接个人计算机（PC）等标准USB源端时，可以采用连接器上的Vbus电源和数据端口（D+和D-）。Vbus电压电平由USB规范清楚定义：理论上额定电压为5V，最高可达5.25V。事实上，较长的线缆会因串行电感产生振铃（ringing）。最大纹波电压取决于移动系统的输入电容和寄生电感。后市场设备往往拥有较低的主机端性能，并拥有较高的寄生参数，对连接的外设可能造成潜在危险。通常Vbus引脚连接至收发器的电源输入引脚（有时是通过最大额定电压为6V的低压降稳压器）和/或在Vbus电源用于对锂离子电池进行充电时（大多数情况下最大额定电压为7V或10V）连接至充电器的输入引脚。
但我们也可以连接外设来为内置锂离子电池充电（图1墙式适配器部分），然后使用市场上提供的墙式适配器。在这个案例中，仅有Vbus引脚和GND被连接，而D+和D-短路。
根据这适配器的质量和复杂程度，其输出电压可远超过制造当今小巧便携产品所需敏感电子元件的最大额定值的输出瞬态现象。
一些交流-直流（AC-DC）电源的基准显示出不良的线路稳压，而在光耦反馈（开关电源充电器）损耗的情况下更糟糕，输出电压可能增加至20V。
通过在设备前面设计过压保护（OVP）器件，浪涌效应和主机端缺省值（host default）将会消除。
3如何设计
USB电流能力是正常模式100mA（未配置模式），而在配置模式下可高达500mA。为了节省功率，在没有观察到数据流量时USB进入暂停模式。当器件处在暂停模式时，如果是总线供电的话，它不能从总线消耗超过500μA的电流。主机端能够发出恢复指令或远程唤醒指令来激活闲置的主机。上述要点显示OVP电路需实现不同要求，如电流能力、散热、欠压和过压保护及静态电流消耗。
当处在暂停模式时，与Vbus线路呈串行布局的OVP器件将呈现最低的电流消耗，使收发器启动唤醒序列。（图2）
OVP内核（图2）基于PMOS驱动器，令电流消耗极低。消除任何类型的寄生耦合电压，通过PMOS旁路元件，小型输入和输出电容必须布置在尽可能接近OVP器件的位置。（图3）
在图3的案例2中，输出电容已被移除。这样，OVP器件输入端出现快速输入瞬态现象时，旁路元件保持开路。观察得到输出端的过冲，这可能会损坏连接至OVP输入端的电子元器件。消除这种行为，输出电容必须布设在OVP器件的输出引脚，与器件越接近越好。
由于源极和漏极之间的PMOS寄生电容，输入尖峰期间正电压电平被传输，在PMOS驱动器唤醒期间维持比门电势更低的电压（电容填充）。1个1μF的陶瓷电容足以解决这个问题。见图3中的案例1。
另一个要点是过压阀值的定义。过压锁定（OVLO）和欠压锁定（UVLO）阀值由在遇到欠压或过压事件时关闭旁路元件的内部电容所确定。OVLO电平必须高于Vbus最大工作输出电压（5.25V）加上比较器的滞后效应。同样，UVLO参数的最大值必须低于系统第一个元件的最大额定电压。通常OVLO集中在5.675V，使下行系统有强固保护能够承受6V电压，及高至5.25V的Vusb纹波电压。此前的文章（参考资料1）中提供了更多的相关详细资料。也提供另外与墙式适配器电源兼容的OVLO和UVLO。
当设计OVP部分时，由于能够驱动重要电流的内部MOSFET的缘故，不应忽视散热问题。我们已经明白为什么建议PMOS用于这些类型的保护（低电流消耗），而且由于PFet比NFet拥有更高的导通阻抗（Rdson），必须优化热传递，避免热能损坏。根据应用所需的功率，建议采用具有裸露焊盘的封装（如NCP360μDFN）。这器件的数据表中提供RθJA图表，或者您也可以联系安森美半导体销售代表了解进一步信息。
4几种不同的保护等级
如在“电气特性和防范措施”段落中所述，浪涌电流是电气损坏的其中一个根源，需要采用OVP器件。为了避免任何类型的浪涌行为，OVP器件中包括了软启动序列。这个特定序列存在于PFet门的逐渐上升之中。见图4。
即便出现Vusb或墙式适配器快速输出上升（热插），得益于4ms的软启动控制，器件的Vout端没有观察到电压尖峰。这种保护的最关键特性是其尽快地检测任何过压情况并将内部FET开路的能力。
OVP器件的关闭时间在OVLO阀值交叉和Vout引脚错检（fall-out）之间测量。NCP360能够结合极快的关闭时间，尽管消耗电流极低。
典型值700ns/最大值1.5μs的关闭时间使器件成为当今市场上的一流器件。图5。
为了增加更高的保护等级，这些器件中可以加入过流保护（OCP）特性。提供这额外的功能模块，充电电流或应用的负载电流不可超过内部设定的限制电流ilimit。为了符合USB规范且瞬态电流可高达550mA，电流限制必须高于这个值。这个功能集成在更先进的型号NCP361之中。这两款产品都提供热保护。
5安森美半导体解决方案
考虑到USB广泛应用于在两个器件之间通信，且从现在起，要为锂离子电池充电，平台制造商在设计中集成USB连接器。安森美半导体提供的NCP360和NCP361同时提高电子IC和终端用户的安全性。这些完全集成的解决方案符合USB1.0和2.0版规范，即便是极低的电流消耗也可提供实际市场上最快的关闭时间。安森美半导体提供几种不同的OVLO型号，覆盖大多数应用要求，特别是中国新的充电标准。
安森美半导体OVP或OVP+OCP版本分别采用?DFN和TSOP5两种不同封装。后者在解决方案成本和热性能方面带来极佳的折衷。
参考资料1：参见文章“Discrete Protection Solutions for Portable Charging”， Bernard Remaury，安森美半导体
关于作者
Bernard Remaury拥有11年的电子行业从业经验。他目前在安森美半导体低压电源管理部担任应用和系统工程师。他专注于针对便携电源管理IC的电池管理和保护应用。Bernard此前在摩托罗拉的无线部门工作，置身于摩托罗拉电源管理部门的发展。Bernard的电邮是： Bernard.remaury@onsemi.com。
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