解析如何保護電源和充電器件的安全

如今大多數電子設備都有USB連接器，它們通過USB實現數據交換和/或對便攜設備的電池充電。雖然USB這種通信協議已經相當普及，但當目標應用需要通過USB連接為設備供電時，必須注意一些安全防范措施。

電氣特性和防護措施

通過USB連接的下游系統可以由多種類型的主機來供電。

在連接個人計算機(PC)等標準USB源設備時，連接器上將包含Vbus電源端子和數據端子(D+和D-)。Vbus電壓值由USB規范明確定義：額定電壓為5V，最高可達5.25V。事實上，較長的線纜會因串連電感產生振鈴現象。這個最大振鈴紋波電壓取決于移動設備的輸入電容和寄生電感。售后非原配件往往具有較低的性能，電纜也會有較高的寄生參數，這些因素對連接的外設可能造成潛在危害。

通常Vbus引腳連接至收發器的電源輸入引腳(有時會通過最大額定電壓為6V的低壓降穩壓器進行連接)，在Vbus電源用于對鋰離子電池充電時(大多數情況下最大額定電壓為7V或10V)也可以連接至充電器的輸入引腳。

但用戶也可以連接外設為內置鋰離子電池充電(如圖1的墻適配器部分)，然后使用市場上出售的墻適配器。在這個案例中，僅有Vbus引腳和GND被連接，而D+和D-被短路。

圖1：通過外設為內置電池充電。

根據這種適配器的質量和復雜程度，其輸出電壓可能發生遠遠超過制造目前小型便攜式產品所需敏感電子元件最大額定值的輸出瞬態現象。

對一些交流-直流電源的基準測試顯示出不良的線路穩壓性能，而在存在光耦反饋(開關充電器)損耗的情況下更糟糕，輸出電壓可能升高至20V。

通過在設備前面設計過壓保護(OVP)器件，浪涌效應和主機不盡責現象可以被消除。

如何設計

USB電流能力在正常模式下是100mA(未配置模式)，而在配置模式下可達500mA。為了節省功率，在沒有數據流量時USB將進入暫停模式。當器件處在暫停模式，而且又是總線供電的話，器件將不能從總線抽取超過500μA的電流。一個主機能夠發出恢復指令或遠程喚醒指令來激活另一個待機狀態的主機。上述要點表明OVP電路需要滿足不同指標要求，如電流能力、散熱、欠壓和過壓保護及靜態電流消耗。

當處在暫停模式時，與Vbus線路串連的OVP器件將呈現最低的電流消耗，并由收發器啟動序列喚醒過程(圖2)。

圖2：USB器件暫停模式下的電流消耗。

OVP內核(圖2)采用的是PMOS驅動器，因此電流消耗極低。為了通過PMOS旁路元件消除任何類型的寄生耦合電壓，必須在盡可能靠近OVP器件的地方安排一些小型輸入和輸出電容(圖3)。

圖3：利用輸出電容來消除瞬態過沖。