防止USB充电系统和便携电子设备受损的协同电路保.pdf

应用笔记 防止USB充电器系统和便携式电子设备 受损的协同电路保护策略 对于便携式电子设备来说 USB 通用串行总线 已成为最为普遍 的主流连接技术 当这一标准的采用日益增长时 USB连接设备 开始覆盖越来越广泛的硬件应用 使用USB为便携式设备的电 池充电 这一趋势催生了对工业化标准方法的需求 导致USB IF USB应用厂商论坛 发表新规范 随着各种新技术 如USB充电器 的推出 厂家面临着机遇与挑 战并存的局面 挑战是必须满足USB新规范的全部要求 同时维 持低成本 机遇是通过更快的充电速度和万能充电改善消费者体 验 USB 2 0规范确定了两类用于电池充电的电源 专用充电器 或墙 式充电器 和主机或集线器充电器 主机和集线器充电器利用了 相似的充电电路和数据列举 由于每种电源都采用相同的机械连 接 即使其功率特性差异较大 因此 电源检测是设计中要 考虑主要问题 图1 USB充电器规范使用了与USB 2 0相同的插脚引线 但电流容量更高 USB设备 1 0和2 0 采用4针连接 VBUS 5v 地 Data 和 Data 如图1所示 VBUS和地为所连接的设备提供电源或提供充 电电流 电压 D 和D 为通讯通道 遵守非常具体的列举过程 与主机 集线器或USB充电器连接后 便携式设备检测VBUS上的 电压 便携设备必须确定它连接的是什么 并适当限制电流 笔记本电脑 旅行充电器 电话充电器座 太阳能充电器 车载充电器 USB集线器 VBUS D D VBUS D D ID GNDGND USB 电流越高 风险越大 虽然通过USB供电已经使用了一段时间 但新标准大大提高了 允许流向USB设备的电流总值 新的最大额定电流达1 5A 取代了 USB 1 0和2 0的0 5A 这种大电流应用需要更加可靠和稳健的 电路保护来防止因过压瞬变和过流情况而导致受损 过压瞬变一般是由ESD 静电放电 引起的 它既可能在电力线 路上发生 也可能在数据线路上发生 尽管现代集成电路可以对 2000V以下的电压进行保护 但人体轻易就能产生高达25000V的 静电 在I O端口保护应用中 数据线上必须使用钳位和恢复响 应快速的极低电容ESD器件 过流情况也会影响电力总线 这里的过流保护要求是指可靠应对 涌入电流 对于USB充电 每端口最高1 5A 并在发生故时将 故障电流限制在5A以下 持续60秒的能力 UL 60950表2C 保护专用充电器 便携设备与专用充电器连接并检测到D 与D 短接时 该设备允 许的最大充电电流为1 5A 专用充电器是纯粹的充电设备 仅通 过USB接口提供电力 不具备数据通讯能力 图2说明了VBUS上 的PolySwitch器件如何防止因充电器下游 即设备一侧 突然 发生短路而造成的过流损害 PolySwitch器件具有复位能力 尺寸小 动作快 而其在各种 USB 2 0应用中需要的功耗低 它们还有助于满足USB充电器规 范新的大电流要求 并为高密度电路板设计提供简单 成本效益 高的保护方案 USB充电必须在每个端口可靠地支持1 5A的最小稳态电流 并在 故障情况下将最大电流限制在5A以下 持续60秒 UL60950表 2C 当与专用充电器相连时 我们建议采用以下方案对主机 集线 器及便携设备提供过流和过压保护 主机 集线器 对于USB充电 建议每端口采用一个PolySwitch nanoSMDC200S 器件或miniSMD260F器件 便携设备 对于USB充电 建议采用PolyZen ZEN056V230A16LS器件或 ZEN065V230A16LS器件 图2 专用USB充电器的过流保护方案 VBUS D D GND 200 0HM PolySwitch nanoSMDC 200S Device 5V 1 5A 保护主机 集线器充电器 对于主机 集线器充电器 正常使用状态下 便携设备不会让电 压下降到2 0V以下 它必须在慢速或全速充电时将来自主机 集 线器充电器的电流限制在1 5A 在快速充电时将电流限制在 0 9A 低成本方案使用PolySwitch器件满足USB和UL60950过流保护 要求 在传统USB中 一个PolySwitch过流保护器件最多可以 保护四个成组端口 而仍对每个端口提供0 5A电流 并在电流超 过5A时做出响应 从而达到UL60950的要求 同样 我们建议 每个端口采用如图3所示的限流电路 针对传统0 5A端口设计的USB过压保护器件可能不适用于针对 1 5A端口的新USB充电规范 每2个端口1个PolySwitch 器件 联动保护每个端口1个PolySwitch 器件 图3 主机 集线器充电器 2 成组端口采用单个PolySwitch器件 以及针对USB应用的单个PolySwitch器件 端口 2 4 T I inrush Tek PreVu I inrush Peak Peak138V Max51 5V Min 86 5V RMS10 8V Max560mA Min 120mA RMS306mA 2 25 0V21 00A 4 2 2 2 4 4 4 400ns 80 0000ns 2 50GS s 10M points 8 Aug 2008 10 32 45 11 0 V2 T 3 1 T I in Tek Stop V in Max4 400V Max1 060A Min 300 2mA Min 1 601V 3 1 00A 15 00V3 1 1 3 400ns 0 00000ns 2 50GS s 1M points 27 Mar 2009 17 47 54 900mV3 T Type Edge SourceCoupling DC Level 900mV SlopeMode Normal Holdoff 3 图4a USB 2 0 4端口成组应用中的典型过压故障图4b USB 3 0 2 端口成组应用中的典型过压故障 如图4a和4b所示 1 5A热拔会产生相当高的感应尖峰而影响留 在总线上的设备 一种设计完善的总线应吸收这些尖峰 避免设 备遇到它们 在总线上安装PolyZen器件可以帮助设备避开感应 负载 此外 PolyZen器件形状系数小 满足新型便携式电子设 备设计中的大空间和表面安装要求 图5给出了一种针对主机或集线器充电器的协同保护电路策略 PolySwitch器件对VBUS线路提供过流保护 PESD器件用于将 ESD避开数据线路上的敏感电路 PESD器件比传统MLV 多层 变阻器 或TVS 瞬态电压抑制 二极管技术的电容更低 其较 低的触发电压和铅位电压也有利于保护敏感电子元件 图5 主机 集线器充电器需要过流及过压协同电路保护 VBUS D D GND PolySwitch nanoSMDC 200S Device 5V 1 5A PESD0603 240 PHY LINK PESD0603 240 过充考虑 根据针对蜂窝电话可充电电池的IEEE 1725 2006标准以及蜂窝 式电信网络协会 CTIA 的建议 最大充电电压和电流必须根据电 芯 电池组与主机设备厂家之间达成的协议制订 且必须以电芯 厂家规定的电芯电压和电流上线为依据 部分大批量用户指出 为了减小因电压瞬变造成的损失 他们设 计了自己的USB 2 0系统 可承受16V 某些系统必须承受24V电 压 由于USB充电器规范中允许更大的电流 且存在调整不当 的第三方充电器 这些大批量用户需要增大该值 聚合体增强型Zener二极管对通过USB端口充电的电子设备提供保护 GPS系统 智能手机 Playstation 一种SONY游戏机 和便 携式多媒体播放器等可以在家里 办公室和汽车上充电的电子设 备无论在通电还是断电时都有可能遇到电流或电压瞬变 移动多 媒体存储设备从以音频为中心发展到以视频为中心 对功率 数 据传输速率和电路尺寸提出了更高的要求 多种接口和充电系统会由于充电器使用不当 使用调整不良的 第三方充电器或热插 拔事件而对便携设备造成损坏 虽然典型 USB电源提供按5V 5 调整的线路 这些线路上的电压会在 某些特定情况下超过5 25V 导致系统或未受保护的外设受损 如图6所示 当连接第三方充电器时 设备可能遇到高达88 5V 141 V p p 的电压尖峰 图6 与第三方充电器连接的设备上的电压尖峰 最大 88 5 V 持续时间 7 ms 如图7所示 聚合体增强型Zener二极管微型组件采用了稳定的 Zener二极管进行快速电压钳控 和一个相对非线性PPTC 聚 合正温度系数 层 PPTC层通过从低阻状态向高阻状态跳跃而 对二极管发热或过流事件作出响应 当出现持续高功率过压情况 时 动作后的PPTC元件限制电流并产生压降 帮助保护Zener 及其后面的电子设备 有效提高该二极管的功率处理能力 图7 泰科电子的PolyZen器件对便携设备提供输入功率保护 PTC Zener VIN VOUT GND PolyZen PolyZen VIN 1 2 3 VOUT RLOAD GND 该器件对于钳控和平滑感应电压尖峰尤其有效 在响应感应尖峰 时 Zener二极管将电流分流到大地 直至电压下降到正常工作 范围 如果使用电压不正确的电源 该器件可以钳控电压 将多 余功率分流到大地 并最终锁闭错误电源 图8给出了一种针对便携式电子设备的过流 过压协同保护策略 其中使用PolyZen器件对过流和过压引起的损坏加以保护 使用 PESD器件对过压瞬变引起的损坏加以保护 图8 便携式电子设备的协同保护策略 PHY LINK VBUS D D GND ZEN056V230A16LS PESD0603 240 PESD0603 240 miniSMD nanoSMD PolySwitch PolyZen Raychem TE logo和Tyco Electronics均为注册商标 所有信息 包括图 示 均认为是可靠的 然而 用户应该为他们的应用独立地评价每一款产品的适用性 泰科电子公司不对信息的准确性或完 整性做出保证 并拒绝承担任何有关其用途的责任 泰科电子的唯一责任是依据公司的标准条款和条件销售这种产品 泰科 电子决不会对任何附带事件 间接的或因销售 产品转卖 使用或误用而引起的损害负责 本规格可能随时改变 恕不另行 通知 此外 泰科电子保留在不影响符合适用规格的条件下对材料或工艺进行变更的权力 2009泰科电子公司版权所有 RCP0052CN 0509 保护建议 对于传统USB 2 0主机和集线器充电器应用来说 泰科电子 推荐单端口连接使用PolySwitch miniSMDC110器件 2端口 连接使用PolySwitch miniSMDC150器件 3端口连接使用 PolySwitch nanoSMDC200S器件 为了保护VBUS上的传统0 5A USB外设不受到过压冲击损 坏 泰科电子建议使用PolyZen ZEN056V130A24LS和 ZEN065V130A24LS器件 对于新型USB充电应用 包括专用充电器 主机和集线器 泰科 电子建议在各端口上使用PolySwitch nanoSMDC200S 器件 为了支持设备一侧的新型1 5A充电技术 泰科电子建议在VBUS 线路上使用PolyZen ZEN056V230A16LS器件 同时建议在 所有D 和D 线路设备和主机 集线器上使用PESD0603 240器 件 与USB 2 0或USB充电无关 保护要求与具体应用有关 设计人员必须确定其应用需要什么级 别的保护 设备厂家的建议对于缩小保护选项范围有帮助 评价 其他端口保护方案可以为深入研究提供良好的途径 但是 具体 测试每种保护方案是评价效果的最佳方式 小结 新型充电技术提高了便携电子设备的方便性 但是这些大电流应 用也对电路保护的可靠性提出了新的要求