固態USB開關及其它過流保護器件的浪涌測試

摘要：固態過流保護IC，比如USB和卡槽的電源開關，提供了一種簡單、可靠的引腳保護方法，在生產測試或用戶使用不當發生過載或短路時提供有效的系統保護。這些器件的保護能力并非沒有限制，本文主要討論了這些限制因素。

概述

對于1.2A限流，通常認為在發生故障或短路時電路保護IC會保持在完全受控狀態。而實際情況是，在達到限流條件后通常需要一個延時才能真正關閉開關。發生硬件短路時，電流迅速上升，首先會達到直流限制條件并開始關閉開關(直流限制可以非常精確，但反應速度較慢，較慢的反應速度可以避免浪涌和其它偽故障事件造成開關閉合)。雖然開關會在短時間內斷開，但此時峰值電流可能已經遠遠高于直流門限。引線寄生電感較低時，電流可能上升更快。請參考圖1。

通過電阻限制電流

我們采用具有較低引線電感的MAX1558 USB開關，發生硬件短路時，通過芯片內部保護開關實現電流限制。當保護電路最終斷開開關時，可以測量到峰值電流(I)，這個過程如圖2所示。峰值電流流過輸入端的寄生電感(LSTRAY)，將儲存以下能量(E)：

E = ½ × LSTRAY × I²

斷路器或保護開關斷開后，能量會消耗到哪里呢?


圖1. 該電路表明了硬件短路時的電流路徑以及寄生電感驅動下的電流路徑


詳細圖片(PDF, 732kB)
圖2. 波形顯示了具有10µF CBYPASS情況下的短路響應，從VIN波形可以看出：由于電流變化使得輸入電壓上沖到了8.6V。

從圖2可以看出：輸入電流(IIN)很快上升到48.8A，然后被限制。開關斷開時，可以測量到電流下降的速率，當IIN以20A/µs下降時，VIN將上沖到8.6V (VMAX)，可以根據下式計算電路電感：

(VMAX - VIN) = di/dt × LSTRAY

當VMAX - VIN = 3.6V，di/dt = 20A/µs時，LSTRAY = 180nH。

所以，根據E = ½ × LSTRAY × I²，故障結束時有214µJ的能量存儲在LSTRAY中。需要利用旁路電容吸收這部分能量并限制電壓的上升。如果選擇10µF輸入電容，初始電壓為5V，初始儲能為：