随着USB接口在各类电子设备中的普及,USB连接器不仅负责数据传输,也越来越被用于供电和充电。为了确保电源和充电器件在通过USB连接时的安全,必须采取一系列的安全措施来防范电气风险,这涉及到对USB供电的电气特性和防护措施的深入理解和应用。
USB供电的电气特性需要被了解。USB规范定义了额定电压为5V,最高可达5.25V,这是为设备供电的基础。然而,在实际应用中,较长的USB线缆可能会由于串连电感而产生振铃现象,导致Vbus引脚的电压出现波动。此外,使用非原装配件或质量不高的电缆可能对设备造成潜在风险。例如,一些售后市场配件和电缆可能具有较高的寄生参数,从而在Vbus引脚产生超过系统耐受范围的电压波动。
针对这些问题,必须实施有效的保护措施。其中一个关键的保护措施是使用过压保护(OVP)器件。OVP器件可以防止由不良稳压性能或外部电源瞬态事件导致的过高电压输入,损害电子设备。设计OVP时需要考虑的关键参数包括电流能力、散热、欠压和过压保护及静态电流消耗。
在USB连接器和设备之间安装OVP器件可以有效避免电源线上的浪涌效应和主机不负责任时可能产生的损害。此外,OVP器件设计时还必须考虑到低电流消耗,以确保在设备进入暂停模式时不会因为过高的电流消耗而降低电源效率。为了实现这一点,设计者通常会使用PMOS驱动器,因为其具有较低的静态电流消耗。
在设计OVP时,还应考虑器件与Vbus线路串连时的电容配置,以及如何有效消除寄生耦合电压的问题。输入端和输出端的电容配置对于OVP器件的性能至关重要。设计时应该在靠近OVP器件的地方安置小型输入和输出电容,以确保当输入端出现快速瞬态现象时,旁路元件能够快速响应,从而保护下游电子元件不受损害。
另外,OVP器件的过压锁定(OVLO)和欠压锁定(UVLO)阈值的设定也需要考虑。这些阈值需要根据系统所承受的最大工作电压和系统的电压稳定性来精心设定。通常,OVLO阈值需要高于标准Vbus最大输出电压加上比较器的滞后电压,而UVLO的最大值必须低于系统中第一个元件的最大额定电压。
为了解决过压问题,可能需要在输出引脚上连接适当的输出电容,并保证电容尽量靠近OVP器件。由于PMOS驱动器内存在寄生电容,需要通过电容填充来确保器件在唤醒期间能够提供比门电位更低的电压。
在设计OVP部分时,散热问题也不容忽视,因为驱动关键电流的内部MOSFET会产生热量。因此,建议采用具有裸露焊盘的封装,例如NCP360μDFN,以便于热量传递。具体信息可以参考器件数据手册中的RθJA图表,或咨询安森美半导体的销售代表获取更详细的信息。
根据应用需求,OVP解决方案的保护等级也会有所不同。对于不同的应用场景,可能需要采用不同的保护措施。因此,了解并实施适当的保护等级是确保USB供电和充电安全的重要环节。
总结来说,通过USB连接器保护电源和充电器件的安全需要综合考虑电气特性和各种防护措施,并通过设计合适的OVP器件来实现。这包括对电流能力、散热、欠压和过压保护的综合考量,以及对器件电容配置的精确控制。只有这样,才能确保在各种环境下,设备通过USB连接器进行供电和充电时的安全性和可靠性。