固態(tài)USB開關(guān)及其它過流保護(hù)器件的浪涌測試

摘要：固態(tài)過流保護(hù)IC，比如USB和卡槽的電源開關(guān)，提供了一種簡單、可靠的引腳保護(hù)方法，在生產(chǎn)測試或用戶使用不當(dāng)發(fā)生過載或短路時提供有效的系統(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

對于1.2A限流，通常認(rèn)為在發(fā)生故障或短路時電路保護(hù)IC會保持在完全受控狀態(tài)。而實際情況是，在達(dá)到限流條件后通常需要一個延時才能真正關(guān)閉開關(guān)。發(fā)生硬件短路時，電流迅速上升，首先會達(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)會在短時間內(nèi)斷開，但此時峰值電流可能已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于直流門限。引線寄生電感較低時，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(guān)，發(fā)生硬件短路時，通過芯片內(nèi)部保護(hù)開關(guān)實現(xiàn)電流限制。當(dāng)保護(hù)電路最終斷開開關(guān)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(hù)開關(guān)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(qū)動下的電流路徑


詳細(xì)圖片(PDF, 732kB)
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，可以測量到電流下降的速率，當(dāng)IIN以20A/µs下降時，VIN將上沖到8.6V (VMAX)，可以根據(jù)下式計算電路電感：

(VMAX - VIN) = di/dt × LSTRAY

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

所以，根據(jù)E = ½ × LSTRAY × I²，故障結(jié)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：