固态USB开关及其它过流保护器件的浪涌测试

摘要

固态过流保护IC，比如USB和卡槽的电源开关，提供了一种简单、可靠的引脚保护方法，在生产测试或用户使用不当发生过载或短路时提供有效的系统保护。这些器件的保护能力并非没有限制，本文主要讨论了这些限制因素。

类似文章发表于2008年10月的Power Electronics Technology。

概述

对于1.2A限流，通常认为在发生故障或短路时电路保护IC会保持在完全受控状态。而实际情况是，在达到限流条件后通常需要一个延时才能真正关闭开关。发生硬件短路时，电流迅速上升，首先会达到直流限制条件并开始关闭开关(直流限制可以非常精确，但反应速度较慢，较慢的反应速度可以避免浪涌和其它伪故障事件造成开关闭合)。虽然开关会在短时间内断开，但此时峰值电流可能已经远远高于直流门限。引线寄生电感较低时，电流可能上升更快。请参考图1。

通过电阻限制电流

我们采用具有较低引线电感的MAX1558 USB开关，发生硬件短路时，通过芯片内部保护开关实现电流限制。当保护电路最终断开开关时，可以测量到峰值电流(I)，这个过程如图2所示。峰值电流流过输入端的寄生电感(L_STRAY)，将储存以下能量(E)：

E = ½ × L_STRAY × I²

断路器或保护开关断开后，能量会消耗到哪里呢?

从图2可以看出：输入电流(I_IN)很快上升到48.8A，然后被限制。开关断开时，可以测量到电流下降的速率，当I_IN以20A/µs下降时，V_IN将上冲到8.6V (V_MAX)，可以根据下式计算电路电感：

(V_MAX - V_IN) = di/dt × L_STRAY

当V_MAX - V_IN = 3.6V，di/dt = 20A/µs时，L_STRAY = 180nH。

所以，根据E = ½ × L_STRAY × I²，故障结束时有214µJ的能量存储在L_STRAY中。需要利用旁路电容吸收这部分能量并限制电压的上升。如果选择10µF输入电容，初始电压为5V，初始储能为：

½ × C × V² = E

现在，假设所有存储在L_STRAY中的能量最终都转移到输入电容C_BYPASS上，那么：

初始能量 + 寄生能量 = 最终能量
125µJ + 214µJ = 339µJ

339µJ是输入电容的最终能量，根据：

½ × C × V² = E

或：

½ × 10µF × V² = 339µJ

求解V，得到：V = 8.23V。这与图2中的8.6V测量值非常接近。

如果输入旁路电容只有0.1μF，输入电压将上升到具有破坏性的电压值。按照0.1µF重新计算：

初始能量 + 寄生能量 = 最终能量
1.25µJ + 214µJ = 215µJ

并且：

½ × 0.1µF × V² = 215µJ

求解V，得到：V = 65.6V!

显然，这个过程将损坏额定电压只有5.5V的器件。对于这种情况下的硬件短路波形如图3所示，注意输出也会上冲到9.8V，这是由于短路后才会断开开关，它也取决于本次测试时的快速di/dt变化。通常di/dt由功率器件的关断特性决定。对于USB口，电路取决于终端用户—存在任何可能性，但在掌控之内。引起这样极端的快速关断的原因可能是由于电缆断裂、连接器发生问题，或连接过程中的机械故障，如本例所示。

当然电压不会上冲到66V理论计算值，这是因为芯片内部集成了齐纳保护管，可以钳制电压的上升，并可能由于吸收能量而被损坏。发生过压的过程中，额外的能量被硅片吸收。下面的图4是图3的时间展开图。

从图4可以看出，对于相同电路，较大的输入旁路电容可以更好地应对硬件短路造成的寄生能量，从而提供额外保护。通常，带有地层的印刷电路板(PCB)比测试当中的引线或实验室中其它连接具有更小的寄生电感。在实验室做测试时，降低连接线和测试设备的寄生电感非常困难。

输入电感限制峰值电流

图5所示，即使存在高达1.3µH的输入引线电感，如果使用10µF的旁路电容，器件仍然可以免于损坏。

从图5可以看出，较大的电感减缓了输入电流的上升、下降速度。这一点很重要，电感较大时电流的变化速率大大降低。因为存储在电感内部的能量与电流平方成正比，与电感成正比关系，较高的峰值电流会存储更多的能量。存储在1.3µH电感的能量仅为419µJ：

125µJ + 419µJ = 544µJ

并且

½ × 10µF × V² = 544µJ

由上式求解V，得到：V = 10.43V。

虽然器件在这硬件短路时幸免于难，但仍推荐选用一个更大的输入旁路电容，以限制最大电压，使其低于数据资料中规定的极限参数。

结论

如果设计中没有考虑存储在寄生电感中能量，USB器件可能由于过压而造成损坏。图5所示，输入电感可以是峰值电流的限制因素，从图2可以看出电阻也可以限制电流。如果电流被限制在导致器件损坏的电平以下，较低的电感有助于改善电路的安全工作。如果电流没有得到应有的限制，能量在低电感情况下释放可能迅速达到破坏性水平。需要特别注意避免这种情况的发生。图2所示电路中，电流由0.1Ω电阻限制。虽然减小电感后会使电流的上升速度提高，如果采取适当的限流措施，较小的电感有助于降低储能。

大多数PCB设计在保护开关以及输入输出路径下方都有一个地层，电感通常远远低于180nH。对于下方有地层的1/16英寸宽的PCB走线，每英寸长度大约会产生10nH电感。应根据具体应用环境，确定所需要的输入旁路电容。从电感的测量、分析结果看，可能需要更大的旁路电容来保证系统的可靠性，当然，也有可能允许降低输入旁路电容。