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USB 接口需要怎樣的“保護傘”?維安負載開關給你答案

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近年來，互聯網產業發展如火如荼，電子商務及硬件制造業等領域的發展也方興未艾，層出不窮的電子設備在生活中日益普及，作為世界上最通用的接口之一USB接口得以廣泛的應用，我們見證了從USB 2.0到USB 3.2的蛻變，也目睹了一個個不通用的接口被淘汰。

與此同時，各大電子設備廠商對輸出電流的要求也逐漸提高，從以前的5V/500mA升級到如今的20V/5A，在這種大電流的應用上，如果沒有相應的保護措施勢必會損壞內部電路。有統計表明，超過40%的電子產品失效與USB接口有直接或間接的關系，而造成的不良現象通常包括系統死機，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，在負載出現異常的瞬間，電源開關會流過數安培的電流，即處于長時間過流狀態，從而對電路及系統造成了損壞。

在此大背景下，USB接口的保護方案也得到了各大廠商的重視，其中限流保護方案就成為了設計過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，作為保護界的“愛馬仕”維安推出了USB接口專用限流保護產品——WP25P21XX系列芯片，可滿足小型化、智能化和集成化的需求，目前已經廣泛應用于TV面板、TWS耳機充電倉以及機械硬盤接口等領域。

● USB接口的保護傘

維安WP25P21XX系列產品輸入電壓為2.5V~5.5V，可調電流限制范圍在0.4A~2A之間，導通電阻70mΩ，28μA的靜態功耗，主要封裝形式為SOT23-5/6和DFN-6封裝，可以滿足小空間、低功耗產品的應用場景。

WP25P21XX系列主要參數

封裝實物圖

在使用時，WP25P21XX系列產品通常用于USB接口和內部電源之間，輸入、輸出引腳外接1μF的陶瓷電容，對USB接口接入的設備提供工作電流，在接入的負載發生過流現象時提供過流保護，使得USB接口能夠安全可靠的工作。它可以保護和防止芯片內部功率器件免受大電流的沖擊，加強電路帶負載的能力。

應用框圖

WP25P21XX產品通過采用SENSEFET結構的電流檢測電路來提高系統的工作效率，同時利用電流檢測電路實時監測輸出電流。當負載出現重載或短路情況時，內部的電流采樣管能及時檢測負載電流變化，并通過與基準電流的比較，采用負反饋環路將輸出電流限定在安全的恒流狀態，防止負載過重或短路造成的供電系統崩潰。通過采用精密的修調技術，可實現10%和20%兩種高精度需求。

WP25P21XX正常工作溫度為-40℃~+85℃，滿足戶外應用對溫度的要求，而且內置欠壓鎖定、熱關斷、反向電流阻斷等多重保護機制，能夠全方位保障產品的電氣安全性。

WP25P21XX內部結構圖

如上圖所示，其中FLT管腳是漏極開路輸出，需要一個外部上拉電阻。如果芯片限流保護狀態被激活，FLT為LOW，表示故障已發生了。微處理器通過對故障標志位的檢測，可進行故障告警等處理措施，有利于故障定位、系統狀態顯示等操作。一旦故障消失，它將自動返回高電平狀態。同時WP25P21XX具備的快速輸出放電功能可確保已斷開或禁用的負載不會被浮置。當EN為低時，打開放電場效應晶體管(FET)，創建一條從VOUT到GND的路徑，確保該負載能快速返回到已知的0V“關閉”狀態。

● 更優的反向電流保護和防靜電能力

USB接口在使用過中，既對外充當電源又為內部設備組件供電，極易引發反向電流。如下圖所示，反向電流是指系統輸出端的電壓高于輸入端的電壓，導致電流倒流通過系統。反向電流會造成內部電路和電源的損壞，根據從輸出到輸入的路徑，電纜也有可能被損壞，連接器的性能也會被降低。根據PD = IREV*VDROP，當功率達到一定時，甚至會造成燒毀。

反向電流

WP25P21XX所集成的反向電流保護功能可以很好的保護USB接口免受反向電流的危害。內部采用襯底電位選擇電路，通過實時監測VIN和VOUT端口電壓信號，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生。在下圖中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。

反向電流保護功能測試電路

峰值反向電流

由上圖可見，示波器監測的峰值反向電流為12.8 mA。

除超強的反向電流保護功能外，WP25P21XX系列產品相比于同類器件還具有更優的防靜電能力，通過改進GGNMOS多指型結構不同指之間寄生BJT的trigger電壓的均勻性，從而保證在第一個器件發生最終擊穿前全部開啟，實現所設計所有對應的BJT開啟，實現電流泄放目的。經實測ESD(HBM)可達到8KV，完全滿足用戶實際使用中更為苛刻的使用環境。