固態(tài)USB開關(guān)及其它過流保護(hù)器件的浪涌測(cè)試
發(fā)布時(shí)間:2017-01-12 責(zé)任編輯:wenwei
【導(dǎo)讀】固態(tài)過流保護(hù)IC,比如USB和卡槽的電源開關(guān),提供了一種簡(jiǎn)單、可靠的引腳保護(hù)方法,在生產(chǎn)測(cè)試或用戶使用不當(dāng)發(fā)生過載或短路時(shí)提供有效的系統(tǒng)保護(hù)。這些器件的保護(hù)能力并非沒有限制,本文主要討論了這些限制因素。
概述
對(duì)于1.2A限流,通常認(rèn)為在發(fā)生故障或短路時(shí)電路保護(hù)IC會(huì)保持在完全受控狀態(tài)。而實(shí)際情況是,在達(dá)到限流條件后通常需要一個(gè)延時(shí)才能真正關(guān)閉開關(guān)。發(fā)生硬件短路時(shí),電流迅速上升,首先會(huì)達(dá)到直流限制條件并開始關(guān)閉開關(guān)(直流限制可以非常精確,但反應(yīng)速度較慢,較慢的反應(yīng)速度可以避免浪涌和其它偽故障事件造成開關(guān)閉合)。雖然開關(guān)會(huì)在短時(shí)間內(nèi)斷開,但此時(shí)峰值電流可能已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于直流門限。引線寄生電感較低時(shí),電流可能上升更快。請(qǐng)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(guān),發(fā)生硬件短路時(shí),通過芯片內(nèi)部保護(hù)開關(guān)實(shí)現(xiàn)電流限制。當(dāng)保護(hù)電路最終斷開開關(guān)時(shí),可以測(cè)量到峰值電流(I),這個(gè)過程如圖2所示。峰值電流流過輸入端的寄生電感(LSTRAY),將儲(chǔ)存以下能量(E):
E = ½ × LSTRAY × I²
斷路器或保護(hù)開關(guān)斷開后,能量會(huì)消耗到哪里呢?
圖1. 該電路表明了硬件短路時(shí)的電流路徑以及寄生電感驅(qū)動(dòng)下的電流路徑
圖2. 波形顯示了具有10µF CBYPASS情況下的短路響應(yīng),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(guān)斷開時(shí),可以測(cè)量到電流下降的速率,當(dāng)IIN以20A/µs下降時(shí),VIN將上沖到8.6V (VMAX),可以根據(jù)下式計(jì)算電路電感:
(VMAX - VIN) = di/dt × LSTRAY
當(dāng)VMAX - VIN = 3.6V,di/dt = 20A/µs時(shí),LSTRAY = 180nH。
所以,根據(jù)E = ½ × LSTRAY × I²,故障結(jié)束時(shí)有214µJ的能量存儲(chǔ)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(chǔ)能為:
½ × C × V² = E
現(xiàn)在,假設(shè)所有存儲(chǔ)在LSTRAY中的能量最終都轉(zhuǎn)移到輸入電容CBYPASS上,那么:
初始能量 + 寄生能量 = 最終能量
125µJ + 214µJ = 339µJ
339µJ是輸入電容的最終能量,根據(jù):
½ × C × V² = E
或:
½ × 10µF × V² = 339µJ
求解V,得到:V = 8.23V。這與圖2中的8.6V測(cè)量值非常接近。
如果輸入旁路電容只有0.1μF,輸入電壓將上升到具有破壞性的電壓值。按照0.1µF重新計(jì)算:
初始能量 + 寄生能量 = 最終能量
1.25µJ + 214µJ = 215µJ
并且:
½ × 0.1µF × V² = 215µJ
求解V,得到:V = 65.6V!
顯然,這個(gè)過程將損壞額定電壓只有5.5V的器件。對(duì)于這種情況下的硬件短路波形如圖3所示,注意輸出也會(huì)上沖到9.8V,這是由于短路后才會(huì)斷開開關(guān),它也取決于本次測(cè)試時(shí)的快速di/dt變化。通常di/dt由功率器件的關(guān)斷特性決定。對(duì)于USB口,電路取決于終端用戶—存在任何可能性,但在掌控之內(nèi)。引起這樣極端的快速關(guān)斷的原因可能是由于電纜斷裂、連接器發(fā)生問題,或連接過程中的機(jī)械故障,如本例所示。
圖3. 從波形可以看出,若輸入電容只有0.1µF,輸入電壓會(huì)上沖到一個(gè)潛在的破壞性高壓。
當(dāng)然電壓不會(huì)上沖到66V理論計(jì)算值,這是因?yàn)樾酒瑑?nèi)部集成了齊納保護(hù)管,可以鉗制電壓的上升,并可能由于吸收能量而被損壞。發(fā)生過壓的過程中,額外的能量被硅片吸收。下面的圖4是圖3的時(shí)間展開圖。
圖4. 圖3的時(shí)間展開圖,注意到開關(guān)關(guān)斷期間較高的di/dt變化率,部分存儲(chǔ)能量已經(jīng)送至輸出端!這將損壞USB開關(guān)。
從圖4可以看出,對(duì)于相同電路,較大的輸入旁路電容可以更好地應(yīng)對(duì)硬件短路造成的寄生能量,從而提供額外保護(hù)。通常,帶有地層的印刷電路板(PCB)比測(cè)試當(dāng)中的引線或?qū)嶒?yàn)室中其它連接具有更小的寄生電感。在實(shí)驗(yàn)室做測(cè)試時(shí),降低連接線和測(cè)試設(shè)備的寄生電感非常困難。
輸入電感限制峰值電流
圖5所示,即使存在高達(dá)1.3µH的輸入引線電感,如果使用10µF的旁路電容,器件仍然可以免于損壞。
圖5. 此波形顯示了輸入長(zhǎng)引線產(chǎn)生的寄生電感較大(1.3µH)時(shí)的情況,同樣使用10µF輸入旁路電容。注意:輸入電流的上升和下降比較緩慢。當(dāng)輸入電壓超過8V時(shí),器件也會(huì)發(fā)生齊納擊穿,電流被泄漏到輸出端(可以由波形圖中的IOUT看出),但開關(guān)不會(huì)損壞。
從圖5可以看出,較大的電感減緩了輸入電流的上升、下降速度。這一點(diǎn)很重要,電感較大時(shí)電流的變化速率大大降低。因?yàn)榇鎯?chǔ)在電感內(nèi)部的能量與電流平方成正比,與電感成正比關(guān)系,較高的峰值電流會(huì)存儲(chǔ)更多的能量。存儲(chǔ)在1.3µH電感的能量?jī)H為419µJ:
125µJ + 419µJ = 544µJ
并且
½ × 10µF × V² = 544µJ
由上式求解V,得到:V = 10.43V。
雖然器件在這硬件短路時(shí)幸免于難,但仍推薦選用一個(gè)更大的輸入旁路電容,以限制最大電壓,使其低于數(shù)據(jù)資料中規(guī)定的極限參數(shù)。
結(jié)論
如果設(shè)計(jì)中沒有考慮存儲(chǔ)在寄生電感中能量,USB器件可能由于過壓而造成損壞。圖5所示,輸入電感可以是峰值電流的限制因素,從圖2可以看出電阻也可以限制電流。如果電流被限制在導(dǎo)致器件損壞的電平以下,較低的電感有助于改善電路的安全工作。如果電流沒有得到應(yīng)有的限制,能量在低電感情況下釋放可能迅速達(dá)到破壞性水平。需要特別注意避免這種情況的發(fā)生。圖2所示電路中,電流由0.1Ω電阻限制。雖然減小電感后會(huì)使電流的上升速度提高,如果采取適當(dāng)?shù)南蘖鞔胧?,較小的電感有助于降低儲(chǔ)能。
大多數(shù)PCB設(shè)計(jì)在保護(hù)開關(guān)以及輸入輸出路徑下方都有一個(gè)地層,電感通常遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于180nH。對(duì)于下方有地層的1/16英寸寬的PCB走線,每英寸長(zhǎng)度大約會(huì)產(chǎn)生10nH電感。應(yīng)根據(jù)具體應(yīng)用環(huán)境,確定所需要的輸入旁路電容。從電感的測(cè)量、分析結(jié)果看,可能需要更大的旁路電容來保證系統(tǒng)的可靠性,當(dāng)然,也有可能允許降低輸入旁路電容。
本文來源于Maxim。
推薦閱讀:
特別推薦
- 授權(quán)代理商貿(mào)澤電子供應(yīng)Same Sky多樣化電子元器件
- 使用合適的窗口電壓監(jiān)控器優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)
- ADI電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制解決方案 驅(qū)動(dòng)智能運(yùn)動(dòng)新時(shí)代
- 倍福推出采用 TwinSAFE SC 技術(shù)的 EtherCAT 端子模塊 EL3453-0090
- TDK推出新的X系列環(huán)保型SMD壓敏電阻
- Vishay 推出新款采用0102、0204和 0207封裝的精密薄膜MELF電阻
- Microchip推出新款交鑰匙電容式觸摸控制器產(chǎn)品 MTCH2120
技術(shù)文章更多>>
- 更高精度、更低噪音 GMCC美芝電子膨脹閥以創(chuàng)新?lián)屨夹袠I(yè)“制高點(diǎn)”
- 本立租完成近億元估值Pre-A輪融資,打造AI賦能的租賃服務(wù)平臺(tái)
- 中微公司成功從美國國防部中國軍事企業(yè)清單中移除
- 華邦電子白皮書:滿足歐盟無線電設(shè)備指令(RED)信息安全標(biāo)準(zhǔn)
- 功率器件熱設(shè)計(jì)基礎(chǔ)(九)——功率半導(dǎo)體模塊的熱擴(kuò)散
技術(shù)白皮書下載更多>>
- 車規(guī)與基于V2X的車輛協(xié)同主動(dòng)避撞技術(shù)展望
- 數(shù)字隔離助力新能源汽車安全隔離的新挑戰(zhàn)
- 汽車模塊拋負(fù)載的解決方案
- 車用連接器的安全創(chuàng)新應(yīng)用
- Melexis Actuators Business Unit
- Position / Current Sensors - Triaxis Hall
熱門搜索
晶體諧振器
晶體振蕩器
晶閘管
精密電阻
精密工具
景佑能源
聚合物電容
君耀電子
開發(fā)工具
開關(guān)
開關(guān)電源
開關(guān)電源電路
開關(guān)二極管
開關(guān)三極管
科通
可變電容
可調(diào)電感
可控硅
空心線圈
控制變壓器
控制模塊
藍(lán)牙
藍(lán)牙4.0
藍(lán)牙模塊
浪涌保護(hù)器
雷度電子
鋰電池
利爾達(dá)
連接器
流量單位