高效的移动设备USB接口电源保护方案

高效的移动设备USB接口电源保护方案

       随着USB接口成为智能手机和3G无线上网卡等设备的主要数据及电源接口，USB接口电源保护也越来越重要，设计人员需要兼顾系统成本、线路板尺寸、系统功耗等因素设计保护电路。

       随着第三代移动通讯技术的大力发展以及个人移动终端设备的迅速普及，USB接口已经成为智能手机和3G无线上网卡等的主要数据及电源接口，这为设备兼容及资源节约提供了极大的帮助。多年来，移动产品业界除了在推动接口统一，也在思考如何更好地对接口统一后不同厂商之间的移动产品、USB电缆及USB接口电源适配器之间的互操作提供更好的保护。

USB电源接口常用保护电路及存在的风险

       由于对成本的考量及现有芯片不完备，目前市面上的无线上网卡大多只用简单的缓启动电路(如图1)来降低浪涌电流以保护系统。浪涌电流通常来自于USB接口5V电压源接入瞬间对上网卡的输入负载大电容进行快速充电，因为5V电压源到负载电容之间的直流总阻抗(包含印刷电路板电路、线缆和电源内阻)少于200mΩ，所以瞬间初始电流可达25A。如此大的电流变化一方面可能会引起系统输入电压过冲而损坏系统，另一方面也有可能导致供电电源系统过载宕机。如果使用图1所示的缓启动电路，当无线上网卡插入电脑或外部5V电源的瞬间，PMOS管M1是断开的，然后5V电源通过R1限流对C1进行充电，逐步减低PMOS管的门极电压到地电平而使PMOS导通电阻最小。在此过程中，C2两端的电压会安全地充至5V，当5V电源移除后，C1会通过与R1和R2的回路进行放电从而关断PMOS管M1以等待下一次系统重新供电。根据时间常数τ=RC及充电U(t)=VBUS×(1-e-t/τ)或放电U(t)=VBUS×e-t/τ可知，C1和R1组成缓启动电路大约需要10ms将C1两端电压从零充至VBUS的63.2%，而C1、R1和R2组成的掉电复原电路大约需要20ms才能将C1两端电压降至原来VBUS的36.8%。由此可见，系统经过10~20ms充电基本能实现很好的缓启动，通过20~40ms放电也基本能实现很好的系统复原以便应对电源快速插拔或接触不良时的系统保护。

       当然这种缓启动电路也有它的不足之处，比如没有过压保护功能。目前很多3G+WiFi的无线上网卡路由产品往往直接用5V墙上适配器进行供电，有时由于电网品质、适配器品质或瞬时干扰等问题，VBUS电压可能大大超过5V，而这个过高的电压也会在电源缓启动后直接通过M1进入系统，从而导致内部芯片损坏，特别由于成本的原因系统厂商在选C2时往往采用6.3V额定电压的电容，所以会导致常见的电容爆裂甚至烧毁现象。

USB电源接口兼顾缓启动和过压保护功能

       鉴于上述缓启动方案的潜在风险，笔者推荐一个能实现缓启动同时具有过压保护功能的电路来基本满足USB电源接口保护需求。如图2所示，我们在图1电路的基础上增加了PNP三极管Q1、过压状态监测芯片FAN3988和R3、R4、R5、R6四个电阻。本电路的特别之处就在于缓启动和过压保护可以共用同一个PMOS管M1来实现。FAN3988的Vbus脚作为电源输入脚可为芯片供电并能实时监测VBUS的电压状况，一旦VBUS电压超过典型6V或低于3.3V，FAN3988的状态脚Flag2就会输出低电平，否则Flag2输出高电平。然后，我们选择合适三极管参数及较高精度的数个电阻来控制PMOS管M1的导通或断开。比如，当VBUS大于6V时FAN3988的Flag2输出最大0.3V的低电平，此时R3两端的正向电压差会大于三极管Q1的射基极偏置正电压，从而使R6上流过的基极电流足以使Q1射极集电极饱和导通而把PMOS管M1门极电压拉近到VBUS电压，此时M1关断即实现了VBUS过压保护功能。反之，当VBUS电压在典型3.3V~6.0V范围的时候，FAN3988的Flag2会保持至少2.4V的高电平输出，从而使R3两端的电压差不足以使三极管导通，这样三极管Q1就不会影响C1和R1对M1的正常操作。

       当然，如果对成本不太敏感，无线上网卡研发工程师还会考虑用一个带内置电源通道PMOS的过压保护芯片如FAN3989在靠近VBUS处做过压保护功能，然后再串接一个PMOS及相关电阻电容电路做缓启动功能。

       还有一个有趣的现象，由于受成本的影响，很多工程师会尝试只用一个PMOS管和一些廉价的电阻电容及简单过压检测电路去同时实现过压保护及缓启动电路，但最终都很难实现，其实主要原因在于对电源通道PMOS管门极的控制竞争上。试想，门极电路既要接受RC充放电电路的控制，而当VBUS过压后又要跟踪VBUS的输入电压(有时VBUS电压可能高达28V)以便使PMOS的VGS足够接近零来关断PMOS，所以，可能的冲突在于缓启动需要跨接电容于VBUS和PMOS门极，而过压保护则需要跨接电阻于VBUS和PMOS门极，但电路上没法兼顾两种功能的实现。

       总之，上述新的分立电路方案已经够用，但并不完美。比如一些移动产品系统会对过流保护(OCP)、热保护、短路保护和过低输入电压及真反向电流阻止保护(UVLO&TRCB)等都有所要求，甚至会不满分立电路所占总PCB面积。鉴于此，一些业界领先的移动产品芯片供应商正在积极开发一些综合保护芯片来满足移动产品市场的此类需要。

USB电源接口保护单一芯片解决方案

       随着智能手机、3G-WiFi无线上网卡、便携式打印机/扫描仪/投影仪和移动硬盘等移动产品的各种电源兼容性问题和电热损毁性问题时有发生，工程师对于USB电源接口的保护需求也会越来越强烈，也会更多考虑材料成本、电路空间、系统功耗以及电路保护的及时性和易操作性。因此，小型化、智能化和集成化USB接口电源保护芯片将变得越来越重要。

       如图3，读者可以看到一种新型的USB电源接口保护芯片架构及应用方案，墙上USB接口5V电源适配器直接给3G-WiFi无线上网卡及路由器件或者其他小型便携式设备供电。该芯片架构很好地实现了系统缓启动、高达28V耐压、5.8V过压保护及可调整电流0.1A到1.5A的过流保护。当然，该芯片和系统应用架构也解决了其他常见的应用问题，比如VIN端大约4.7μF的CIN电容能很好地避免由于电源适配器长USB电源线缆插入引起的VIN极快速上升乃至超过28V，VOUT端的COUT电容大约300μF就能基本满足系统突发模式下对大电流的摄取。UVLO功能可以在VIN小于3.5V时关断电源通道以避免系统误操作，如果出现VOUT端电压大于VIN端，则TRCB功能则可以确保无论在电源通道关断和导通的时候都会去关断电源通道并调整通道PMOS体二极管极性以防止反向电流，创新的VOUT输出放电通道可以在VBUS电源拔出或接触不良时迅速初始化VOUT电压以待系统再次有效上电。此外，保护芯片还具有短路及过热保护功能、基带处理器可以得到保护芯片中的错误状态信息及控制保护芯片使能与否、系统可以通过外部的RSET电阻在保护芯片中设置所需的电源通道电流限流值等等。

       为了移动产品的安全和长期使用，工程师们都会尽量避免各种接口故障，尤其是对USB电源接口的保护格外重视。目前业界保护电路很多并各有优缺点，但往前来看，具有性价比优势的综合保护芯片必将成为未来市场应用的主流，比如上面介绍的这种USB电源接口保护芯片。