浪涌测试固态USB开关和其他过流保护器

固态过流保护 IC，如 USB 和卡槽电源开关，提供了一种简单而可靠的方法，用于保护在产品测试期间面临过载或短路风险或客户滥用的引脚。保护程度并非没有限制，本文将探讨这些限制。

介绍

在1.2A电流限制下，人们会认为电路保护IC可以在发生故障或短路时保持完全控制。现实情况是，电流限制通常显示实际关断之前的延迟时间。在硬短路期间，电流会迅速上升，首先达到直流限制并开始关闭开关。 （直流限制通常是一个准确但缓慢的阈值。缓慢的阈值可避免因浪涌和其他虚假事件而导致的滋扰跳闸。不久之后，开关打开，但在达到可能远高于直流限值的峰值电流之前。低电感引线会导致电流上升得更快。参见图1。

通过电阻限制电流

采用MAX1558 USB开关，具有低电感引线和硬短路，电流由内部保护开关阻性限制。当保护电路最终断开时，可以测量峰值电流（I）。此过程如图 2 所示。峰值电流流过杂散输入电感（ LSTRAY），能量 （E） 存储：

E = ½ × LSTRAY × I2

一旦断路器或保护开关最终打开电路，这些能量将流向何处？

图1.该图显示了硬短路期间的电流路径以及杂散电感驱动的后续电流路径。

图2.该图显示了 C 在 10μF 条件下的短路性能旁路.五世在迹线显示，由于后续电流，输入飙升至8.6V。

查看图2，我们可以看到输入电流（Iin） 非常迅速地上升到 48.8A，然后由于电阻而受到限制。当开关关闭时，我们可以测量电流下降的速率。与我在在 20A/μs 和 V 下摆动在飙升至 8.6V （V.MAX），我们凭经验计算电路电感为：

(VMAX - VIN) = di/dt × LSTRAY

VMAX-VIN=3.6V，di/dt=20A/µs，LSTRAY=180nH时。

所以用 E = 1/2 × L流浪× I2，在故障结束时，L中存储了214μJ流浪.需要旁路电容来吸收这种能量并限制电压上升。初始充电为 10V 的 5μF 输入电容存储了一些初始能量：

1/2 × C × V2= E

现在，假设所有储存在L中的能量流浪最终会出现输入上限 C旁路然后：

初始能量 + 杂散能量 = 最终能量
125μJ + 214μJ = 339μJ

339μJ是输入电容中的最终能量，其中：

1/2 × C × V2= E或10/<> × <>μF × V2= 339μJ

求解V，V = 8.23V。这与图8中的6.2V测量值非常吻合。

现在，如果输入旁路减小到仅0.1μF，输入电压可能会上升到破坏性电压。所以，这一次是：

初始能量 + 杂散能量 = 最终能量
1.25μJ + 214μJ = 215μJ和0/1 × <>.<>μF × V2= 215μJ

求解V，V = 65.6V！

当然，此过程会损坏额定电压为5.5V的器件。此硬短路期间的波形如图3所示。请注意，输出也飙升至9.8V。这是因为短路在开关关闭之前被移除，这也是该测试中高di/dt的原因。通常，di/dt由功率器件的关断特性控制。使用USB端口时，电路取决于最终用户 - 这种情况是无法控制的。像这样极快的关闭可能是由间歇性电缆、损坏的连接器或在这种情况下与机械连接相关的连接反弹引起的。

图3.该数据表明，当输入端只有0.1μF电容时，输入电压可能会飙升至破坏性电位。

显然，电压不会上升到66V。这是因为该器件已发光，从而箝位电压上升，并可能因吸收的能量而受到损坏。在这种过压事件中，多余的能量被硅芯片吸收。图 3 的更快特写如下图所示 4。

图4.这是图 3 的缩放。注意关断期间的高di/dt，并且一些存储的能量已经到达输出！此事件破坏了 USB 开关。

图4显示，在相同的电路下，较大的输入旁路电容可提供额外的保护，防止硬短路后的杂散能量。通常，带有接地层的印刷电路板（PCB）的杂散电感比该测试中使用的测试引线或实验室中的测试引线要小得多。在实验室进行测试时，减少测试引线和测试设备的杂散尤其困难。

输入电感限制峰值电流

图5显示，即使输入引线电感高达1.3μH，该器件也能采用10μF旁路电容。

图5.该图显示了输入端长引线（1.3μH）以及10μF输入旁路时的性能。注意输入电流上升和下降的速度有多慢。该器件也在齐纳二极管，因此电流溢出到输出端（见 I外波形），当输入电压超过8V，但开关存活时。

图5显示，由于电感较大，输入电流缓慢上升和下降。这是一个重要的注意事项，表明虽然电感要大得多，但电流不能变化得那么快。由于存储在电感中的能量是电流的平方，并且只是电感的线性刻度，因此高峰值电流携带的能量要多得多。存储在1.3μH电感中的能量仅为419μJ：

125μJ + 419μJ = 544μJ和10/<> × <>μF × V2= 544μJ

如上所述求解V，V = 10.43V。

虽然该器件确实能承受这种硬短路，但建议使用更大的旁路电容，并将最大电压限制在数据手册中规定的绝对最大值以下。

结论

如果不考虑杂散电感中存储的能量，USB设备可能会受到过压甚至破坏。图5显示输入电感是峰值电流的限制因素，但图2显示电阻是限制因素。可以得出结论，较低的输入电感可能表现更好。然而，如果不限制电流，低电感情况下的能量也会达到破坏性水平。因此，必须小心谨慎，确保这种情况不会发生。图2显示电流受0.1Ω电阻的限制。虽然电感降低后电流会上升得更快，但如果达到电流限制，电感越小，存储的能量就越少。

在大多数PCB应用中，保护开关下方有一个接地层，输入和输出走线，电感应远低于180nH。接地层上 1/16 英寸宽的 PCB 走线每英寸大约为 10nH。每个应用程序都有自己的情况，这些情况决定了必须部署的输入旁路的大小。对预期电感的测量和分析可能表明需要更大的旁路来提供可靠性。相反，它可能表明允许减少输入旁路电容。

审核编辑：郭婷