帶電插拔過(guò)程的USB電流過(guò)沖問(wèn)題分析

為USB端口產(chǎn)生5V電源時(shí)，該電路能夠抑制USB連接器熱插拔過(guò)程中的峰值浪涌電流，并根據(jù)端口需要將工作電流限制在500mA以?xún)?nèi)。

類(lèi)似的設(shè)計(jì)思路于2009年8月17日發(fā)表在EE Times雜志。

將一個(gè)簡(jiǎn)單的錄音筆或其它外設(shè)插入U(xiǎn)SB端口時(shí)，可能導(dǎo)致不希望發(fā)生的系統(tǒng)復(fù)位。此時(shí)需要在端口前端提供一個(gè)限流器，在插拔端口時(shí)提供短路和過(guò)載保護(hù)。

這種接口的一個(gè)特征是需要給各種需要連接的外設(shè)供電，例如：錄音筆、小型硬盤(pán)、調(diào)制解調(diào)器、MP3讀取器、存儲(chǔ)器卡等。服務(wù)器板提供12V主電源供電，有些應(yīng)用中包含一個(gè)buck轉(zhuǎn)換器，將該電壓降至3.3V，用于邏輯電路供電。還需要一個(gè)升壓電路，把3.3V電壓提升到標(biāo)準(zhǔn)的USB端口電壓(5V，可提供500mA電流)。

帶電插入外設(shè)時(shí)可能引發(fā)一些問(wèn)題：瞬間在端口的5V引腳插入一個(gè)不是純電阻的負(fù)載，由于存在容性元件，會(huì)產(chǎn)生快速、大幅度的電流，使得USB端口的電流遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出500mA。

把一個(gè)大功率的硬盤(pán)連接到端口時(shí)同樣會(huì)發(fā)生類(lèi)似問(wèn)題，此時(shí)的容性負(fù)載不再是主要問(wèn)題，硬盤(pán)的標(biāo)稱(chēng)工作電流可能超出500mA，這是引起系統(tǒng)復(fù)位或電源進(jìn)入保護(hù)狀態(tài)的關(guān)鍵原因。為了抑制浪涌電流，把最大輸出電流限制在500mA以?xún)?nèi)，我們需要在5V電源和端口的VOUT引腳之間增加保護(hù)電路。

負(fù)載接入時(shí)，由于保護(hù)器件不能在瞬間實(shí)現(xiàn)限流(電路沒(méi)有達(dá)到故障電流限制或發(fā)生自激)，帶電插拔后會(huì)出現(xiàn)一段短暫的盲區(qū)，使系統(tǒng)建立穩(wěn)定。在此期間電源必須能夠承受浪涌電流的沖擊。降壓轉(zhuǎn)換器由于利用ILIMIT電阻對(duì)IOUT進(jìn)行檢測(cè)，能夠處理一定的浪涌，電流環(huán)路將IOUT保持在電阻設(shè)置的門(mén)限以?xún)?nèi)。升壓轉(zhuǎn)換器則不具備這一功能。

升壓轉(zhuǎn)換器的電感在VIN和負(fù)載之間提供了一個(gè)連續(xù)通道，當(dāng)電源不能為負(fù)載提供足夠的電流時(shí)，開(kāi)始為升壓轉(zhuǎn)換器的電壓源充電。有些情況下，可能造成監(jiān)控電路觸發(fā)系統(tǒng)復(fù)位，導(dǎo)致圖1所示的系統(tǒng)失效。

圖1. 在為USB端口產(chǎn)生5V電源的同時(shí)，該電路能夠抑制USB連接器熱插拔過(guò)程中的峰值浪涌電流，并根據(jù)端口需要將工作電流限制在500mA以?xún)?nèi)。

對(duì)5V boost電路進(jìn)行簡(jiǎn)單修改可以解決這一問(wèn)題：在boost轉(zhuǎn)換器輸出和反饋電阻分壓器之間插入一個(gè)小電阻(大約0.5Ω)。由于5V轉(zhuǎn)換器補(bǔ)償該電阻兩端的壓差，作用在IOUT限制器(MAX8586)的電壓與5V負(fù)載電流無(wú)關(guān)。這一電路改動(dòng)能夠在帶電插入錄音筆等低電容負(fù)載(1μF)時(shí)避免出現(xiàn)較高的尖峰電流，這種尖峰電流會(huì)導(dǎo)致boost轉(zhuǎn)換器，然后是3.3V總線(xiàn)過(guò)載而復(fù)位系統(tǒng)。0.5Ω電阻不僅在系統(tǒng)處于“盲區(qū)”期間將峰值電流限制在合理范圍內(nèi)，還能夠?qū)OUT的最大值限制在500mA，滿(mǎn)足USB端口的要求。

審核編輯：黃飛