淺析USB接口的保護(hù)方案

近年來(lái)，互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展如火如荼，電子商務(wù)及硬件制造業(yè)等領(lǐng)域的發(fā)展也方興未艾，層出不窮的電子設(shè)備在生活中日益普及，作為世界上最通用的接口之一USB接口得以被廣泛應(yīng)用，我們見(jiàn)證了從USB 2.0到USB 3.2的蛻變，也目睹了一個(gè)個(gè)不通用的接口被淘汰。

與此同時(shí)，各大電子設(shè)備廠商對(duì)輸出電流的要求也逐漸提高，從以前的5V/500mA升級(jí)到如今的20V/5A，在這種大電流的應(yīng)用上，如果沒(méi)有相應(yīng)的保護(hù)措施勢(shì)必會(huì)損壞內(nèi)部電路。有統(tǒng)計(jì)表明，超過(guò)40%的電子產(chǎn)品失效與USB接口有直接或間接的關(guān)系，而造成的不良現(xiàn)象通常包括系統(tǒng)死機(jī)、USB口燒壞等等。究其原因，主要是由于USB具有即插即用的特點(diǎn)，在負(fù)載出現(xiàn)異常的瞬間，電源開(kāi)關(guān)會(huì)流過(guò)數(shù)安培的電流，即處于長(zhǎng)時(shí)間過(guò)流狀態(tài)，從而對(duì)電路及系統(tǒng)造成了損壞。

在此大背景下，USB接口的保護(hù)方案也得到了各大廠商的重視，其中限流保護(hù)方案就成為了設(shè)計(jì)過(guò)程中不可或缺的一部分，由于性能的局限性，最初的分立式方案也漸漸被集成式方案所代替。

于是，作為保護(hù)界的“愛(ài)馬仕”維安（WAYON）推出了USB接口專用限流保護(hù)產(chǎn)品——WP25P21XX系列芯片，可滿足小型化、智能化和集成化的需求，目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于TV面板、TWS耳機(jī)充電倉(cāng)以及機(jī)械硬盤(pán)接口等領(lǐng)域。

USB接口的保護(hù)傘

維安（WAYON）WP25P21XX系列產(chǎn)品輸入電壓為2.5V~5.5V，可調(diào)電流限制范圍在0.4A~2A之間，導(dǎo)通電阻70mΩ，28μA的靜態(tài)功耗，主要封裝形式為SOT23-5/6和DFN-6封裝，可以滿足小空間、低功耗產(chǎn)品的應(yīng)用場(chǎng)景。

在使用時(shí)，WP25P21XX系列產(chǎn)品通常用于USB接口和內(nèi)部電源之間，輸入、輸出引腳外接1μF的陶瓷電容，對(duì)USB接口接入的設(shè)備提供工作電流，在接入的負(fù)載發(fā)生過(guò)流現(xiàn)象時(shí)提供過(guò)流保護(hù)，使得USB接口能夠安全可靠的工作。它可以保護(hù)和防止芯片內(nèi)部功率器件免受大電流的沖擊，加強(qiáng)電路帶負(fù)載的能力。

WP25P21XX產(chǎn)品通過(guò)采用SENSEFET結(jié)構(gòu)的電流檢測(cè)電路來(lái)提高系統(tǒng)的工作效率，同時(shí)利用電流檢測(cè)電路實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)輸出電流。當(dāng)負(fù)載出現(xiàn)重載或短路情況時(shí)，內(nèi)部的電流采樣管能及時(shí)檢測(cè)負(fù)載電流變化，并通過(guò)與基準(zhǔn)電流的比較，采用負(fù)反饋環(huán)路將輸出電流限定在安全的恒流狀態(tài)，防止負(fù)載過(guò)重或短路造成的供電系統(tǒng)崩潰。通過(guò)采用精密的修調(diào)技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)10%和20%兩種高精度需求。

WP25P21XX正常工作溫度為-40℃~+85℃，滿足戶外應(yīng)用對(duì)溫度的要求，而且內(nèi)置欠壓鎖定、熱關(guān)斷、反向電流阻斷等多重保護(hù)機(jī)制，能夠全方位保障產(chǎn)品的電氣安全性。

其中FLT管腳是漏極開(kāi)路輸出，需要一個(gè)外部上拉電阻。如果芯片限流保護(hù)狀態(tài)被激活，F(xiàn)LT為L(zhǎng)OW，表示故障已發(fā)生了。微處理器通過(guò)對(duì)故障標(biāo)志位的檢測(cè)，可進(jìn)行故障告警等處理措施，有利于故障定位、系統(tǒng)狀態(tài)顯示等操作。 一旦故障消失，它將自動(dòng)返回高電平狀態(tài)。同時(shí)WP25P21XX具備的快速輸出放電功能可確保已斷開(kāi)或禁用的負(fù)載不會(huì)被浮置。當(dāng)EN為低時(shí)，打開(kāi)放電場(chǎng)效應(yīng)晶體管（FET），創(chuàng)建一條從VOUT到GND的路徑，確保該負(fù)載能快速返回到已知的0V“關(guān)閉”狀態(tài)。

更優(yōu)的反向電流保護(hù)和防靜電能力

USB接口在使用過(guò)程中，既對(duì)外充當(dāng)電源又為內(nèi)部設(shè)備組件供電，極易引發(fā)反向電流。如下圖所示，反向電流是指系統(tǒng)輸出端的電壓高于輸入端的電壓，導(dǎo)致電流倒流通過(guò)系統(tǒng)。反向電流會(huì)造成內(nèi)部電路和電源的損壞，根據(jù)從輸出到輸入的路徑，電纜也有可能被損壞，連接器的性能也會(huì)被降低。根據(jù)PD = IREV*VDROP，當(dāng)功率達(dá)到一定時(shí)，甚至?xí)斐蔁龤А?/p>

WP25P21XX所集成的反向電流保護(hù)功能可以很好的保護(hù)USB接口免受反向電流的危害。內(nèi)部采用襯底電位選擇電路，通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)VIN和VOUT端口電壓信號(hào)，始終保證功率PMOS管體電位處于最高電位，防止體二極管正偏，從而阻斷反向電流發(fā)生。WP25P21XX具有5 V施加在輸出端，輸入端施加0 V電壓，以演示反向電流保護(hù)。

可見(jiàn)，示波器監(jiān)測(cè)的峰值反向電流為12.8 mA。

除超強(qiáng)的反向電流保護(hù)功能外，WP25P21XX系列產(chǎn)品相比于同類(lèi)器件還具有更優(yōu)的防靜電能力，通過(guò)改進(jìn)GGNMOS多指型結(jié)構(gòu)不同指之間寄生BJT的trigger電壓的均勻性，從而保證在第一個(gè)器件發(fā)生最終擊穿前全部開(kāi)啟，實(shí)現(xiàn)所設(shè)計(jì)所有對(duì)應(yīng)的BJT開(kāi)啟，實(shí)現(xiàn)電流泄放目的。經(jīng)實(shí)測(cè)ESD（HBM）可達(dá)到8KV，完全滿足用戶實(shí)際使用中更為苛刻的使用環(huán)境。

已批量供貨于市場(chǎng)主流大客戶

目前，WP25P21XX系列產(chǎn)品已批量供貨于市場(chǎng)主流大客戶，產(chǎn)品被廣泛應(yīng)用于TV面板、TWS耳機(jī)充電倉(cāng)，以及機(jī)械硬盤(pán)接口等方面。

市場(chǎng)中WP25P21XX系列產(chǎn)品的典型應(yīng)用方案，限流開(kāi)關(guān)被置于DC-DC芯片與后續(xù)電路之間，當(dāng)電路內(nèi)部出現(xiàn)故障時(shí)，限流開(kāi)關(guān)將電流限制至所設(shè)置的限流值，為后續(xù)電路提供保護(hù)。

在TWS耳機(jī)充電倉(cāng)的應(yīng)用中，通常配合TVS使用，可以有效的保護(hù)主芯片免受ESD和過(guò)流的侵?jǐn)_。

WP25P21XX系列的最大限流值為2A，為滿足市場(chǎng)需求，維安將陸續(xù)推出輸出范圍更寬廣，限流值更大的產(chǎn)品。

WAYON（維安）創(chuàng)建于1996年，專注深耕電路保護(hù)元器件及功率半導(dǎo)體領(lǐng)域。WAYON始終堅(jiān)持“以客戶為導(dǎo)向，以技術(shù)為本，堅(jiān)持艱苦奮斗”的核心價(jià)值觀，致力于通過(guò)技術(shù)創(chuàng)新引領(lǐng)市場(chǎng)，努力成為全球電路保護(hù)元器件及功率半導(dǎo)體的領(lǐng)先品牌。
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