透过USB连接器确保电源和充电组件安全性

今天，大多数电子设备都拥有USB连接器，它们透过USB实现数据交换和/或对可携设备的电池充电。虽然USB这种通讯协议已经相当普及，但当目标应用需要透过USB连接为设备供电时，仍须注意一些安全防范措施。

电气特性和防护措施

透过USB连接的下游系统可透过多种类型的主机供电。

在连接个人计算机(PC)等标准USB源设备时，连接器上将包含Vbus电源端子和数据端子(D+和D-)。Vbus电压值由USB规格明确定义：额定电压为5V，最高可达5.25V。事实上，较长的缆线会因串连电感产生振铃现象。这个最大振铃纹波电压取决于行动设备的输入电容和寄生电感。售后非原配件往往具有较低的性能，电缆也会有较高的寄生参数，这些因素对连接的外围设备可能造成潜在危害。

通常Vbus接脚连接至收发器的电源输入接脚(有时会透过最大额定电压为6V的低压降稳压器进行连接)，在Vbus电源用于对锂离子电池充电时(大多数情况下最大额定电压为7V或10V)也可以连接至充电器的输入接脚。

但用户也可以连接外围设备为内建锂离子电池充电(如图1的墙配接器部份)，然后使用市场上出售的墙配接器。在这个案例中，仅有Vbus接脚和GND被连接，而D+和D-被短路。



图1：透过外围设备为内建电池充电。

根据这种配接器的质量和复杂程度，其输出电压可能产生远远超过制造目前小型可携式产品所需感应电子组件最大额定值的输出瞬态现象。

对一些交流-直流电源的基准测试显示出不良的线路稳压性能，而在存在光耦反馈(开关充电器)损耗的情况下更糟糕，输出电压可能升高至20V。

透过在设备前面设计过压保护(OVP)组件，突波效应和主机不尽责现象可以被消除。

如何设计

USB电流能力在正常模式下是100mA(未配置模式)，而在配置模式下可达500mA。为了节省功率，在没有数据流量时USB将进入暂停模式。当组件处在暂停模式，而且又是总线供电的话，组件将不能从总线抽取超过500μA的电流。一个主机能够发出恢复指令或远程唤醒指令来启动另一个待机状态的主机。上述要点显示OVP电路需要满足不同指针要求，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线路串连的OVP组件将呈现最低的电流消耗，并由收发器启动序列唤醒过程(图2)。

OVP核心(图2)采用的是PMOS驱动器，因此电流消耗极低。为了透过PMOS旁路组件消除任何类型的寄生耦合电压，必须在尽可能靠近OVP组件的地方安排一些小型输入和输出电容(图3)。



图2：USB组件暂停模式下的电流消耗。

在图3的案例2中，输出电容已被移除。这样，当OVP组件输入端出现快速输入瞬态现象时，旁路组件将保持开路。这时可以在输出端观察到过冲，这个过冲可能会损坏连接至OVP输出端的电子零组件。为了解决这个问题，必须在输出接脚上连接一个输出电容，并尽量靠近OVP组件摆放。



图3：利用输出电容来消除瞬态过冲。

由于源极和漏极之间存在PMOS寄生电容，在输入脉冲期间正电压电平将被传递，因而在PMOS驱动器唤醒期间维持一个比闸电位更低的电压(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)阀值由产生欠压或过压事件时切断旁路组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)加上比较器的滞后电压。同样，UVLO参数的最大值必须低于系统中第一个组件的最大额定电压。通常OVLO的中心位于5.675V，能够有效保护下游系统，使其承受6V的电压，而Vusb纹波电压可达5.25V。此前的文章(参考数据1)中提供了更详细的数据，也提供了与墙配接器电源兼容的OVLO和UVLO参数值。

在设计OVP部份时，鉴于驱动关键电流的内部MOSFET的原因，不应忽视散热问题。大家已经明白为什么建议这类保护使用PMOS(低电流消耗)，而且由于PFet比NFet拥有更高的导通阻抗(Rdson)，必须最佳化热传递，以避免热能损坏。根据应用所需的功率，建议采用具有裸露焊盘的封装(如NCP360 μDFN)。

几种不同的保护等级

正如‘电气特性和防护措施’小节所述那样，突波电流是造成组件电气损坏的根源之一，需要采用OVP组件来克服这一问题。为了避免任何类型的突波行为，OVP组件中通常都包含了软启动顺序。这个特殊顺序贯穿于PFet闸的逐渐上升过程中，见图4。



图 4：克服突波的OVP组件的软启动过程。

即便出现Vusb或墙配接器快速输出上升(热插)，在组件的Vout端也观察不到电压尖峰，这得益于4ms的软启动控制。这种保护的最关键特性是能以最快速度检测到任何过压情况，然后将内部FET开路。

OVP组件的关闭时间从突破OVLO阀值开始算到Vout接脚下降为止。NCP360尽管消耗电流极低，但具有典型值700ns/最大值1.5μs的极快关闭时间(图5)。



图5：NCP360具有极快的关闭时间。

为了提供更高的保护等级，这些组件中可以加入过流保护(OCP)特性。透过提供这种额外的功能模块，充电电流或设备的负载电流不会超过内部编程好的限定值。为了符合USB规格，而瞬态电流又可能高达550mA，因此电流极限必须高于这个值。这个功能整合在更先进的型号NCP361之中。这两款产品都提供热保护功能。

解决方案

考虑到USB广泛应用于两个组件之间的通讯，而且从现在起，还要为锂离子电池充电，平台制造商都会在设计中整合USB连接器。安森美半导体公司提供的NCP360和NCP361能够同时提高电子IC和最终用户的安全性。这些完全整合的解决方案符合USB1.0和2.0版规格，电流消耗非常低，而且具有实际市场上最快的关闭时间性能。

为了覆盖满足中国新充电标准的大多数应用要求，安森美半导体公司提供了多种不同的OVLO型号。其OVP或OVP+OCP版本可以提供μDFN和TSOP5两种不同封装，后者在解决方案成本和热性能方面具有折衷性能。