通过USB连接器保护电源和充电器件安全

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如今大多数电子设备都有USB连接器，它们通过USB实现数据交换和/或对便携设备的电池充电。虽然USB这种通信协议已经相当普及，但当目标应用需要通过USB连接为设备供电时，必须注意一些安全防范措施。

电气特性和防护措施

通过USB连接的下游系统可以由多种类型的主机来供电。

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规范明确定义：额定电压为5V，最高可达5.25V。事实上，较长的线缆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移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设可能造成潜在危害。

通常Vbus引脚连接至收发器的电源输入引脚(有时会通过最大额定电压为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引脚。

但用户也可以连接外设为内置锂离子电池充电(如图1的墙适配器部分)，然后使用市场上出售的墙适配器。在这个案例中，仅有Vbus引脚和GND被连接，而D+和D-被短路。

图1：通过外设为内置电池充电。

根据这种适配器的质量和复杂程度，其输出电压可能发生远远超过制造目前小型便携式产品所需敏感电子元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。

通过在设备前面设计过压保护(OVP)器件，浪涌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。当器件处在暂停模式，而且又是总线供电的话，器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激活另一个待机状态的主机。上述要点表明OVP电路需要满足不同指标要求，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器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)。

图2：USB器件暂停模式下的电流消耗。

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

图3：利用输出电容来消除瞬态过冲。

在图3的案例2中，输出电容已被移除。这样，当OVP器件输入端出现快速输入瞬态现象时，旁路元件将保持开路。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输出端的电子元器件。为了解决这个问题，必须在输出引脚上连接一个输出电容，并尽量靠近OVP器件摆放。

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，从而在PMOS驱动器唤醒期间维持一个比门电位更低的电压(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。

编辑：博子