固態(tài)過流保護(hù) IC，如 USB 和卡槽電源開關(guān)，提供了一種簡單而可靠的方法，用于保護(hù)在產(chǎn)品測試期間面臨過載或短路風(fēng)險(xiǎn)或客戶濫用的引腳。保護(hù)程度并非沒有限制，本文將探討這些限制。

介紹

在1.2A電流限制下，人們會(huì)認(rèn)為電路保護(hù)IC可以在發(fā)生故障或短路時(shí)保持完全控制。現(xiàn)實(shí)情況是，電流限制通常顯示實(shí)際關(guān)斷之前的延遲時(shí)間。在硬短路期間，電流會(huì)迅速上升，首先達(dá)到直流限制并開始關(guān)閉開關(guān)。 （直流限制通常是一個(gè)準(zhǔn)確但緩慢的閾值。緩慢的閾值可避免因浪涌和其他虛假事件而導(dǎo)致的滋擾跳閘。不久之后，開關(guān)打開，但在達(dá)到可能遠(yuǎn)高于直流限值的峰值電流之前。低電感引線會(huì)導(dǎo)致電流上升得更快。參見圖1。

通過電阻限制電流

采用MAX1558 USB開關(guān)，具有低電感引線和硬短路，電流由內(nèi)部保護(hù)開關(guān)阻性限制。當(dāng)保護(hù)電路最終斷開時(shí)，可以測量峰值電流（I）。此過程如圖 2 所示。峰值電流流過雜散輸入電感（ LSTRAY），能量 （E） 存儲(chǔ)：

E = ? × LSTRAY × I2

一旦斷路器或保護(hù)開關(guān)最終打開電路，這些能量將流向何處？

圖1.該圖顯示了硬短路期間的電流路徑以及雜散電感驅(qū)動(dòng)的后續(xù)電流路徑。

圖2.該圖顯示了 C 在 10μF 條件下的短路性能旁路.五世在跡線顯示，由于后續(xù)電流，輸入飆升至8.6V。

查看圖2，我們可以看到輸入電流（Iin） 非常迅速地上升到 48.8A，然后由于電阻而受到限制。當(dāng)開關(guān)關(guān)閉時(shí)，我們可以測量電流下降的速率。與我在在 20A/μs 和 V 下擺動(dòng)在飆升至 8.6V （V.MAX），我們憑經(jīng)驗(yàn)計(jì)算電路電感為：

(VMAX - VIN) = di/dt × LSTRAY

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

所以用 E = 1/2 × L流浪× I2，在故障結(jié)束時(shí)，L中存儲(chǔ)了214μJ流浪.需要旁路電容來吸收這種能量并限制電壓上升。初始充電為 10V 的 5μF 輸入電容存儲(chǔ)了一些初始能量：

1/2 × C × V2= E

現(xiàn)在，假設(shè)所有儲(chǔ)存在L中的能量流浪最終會(huì)出現(xiàn)輸入上限 C旁路然后：

初始能量 + 雜散能量 = 最終能量
125μJ + 214μJ = 339μJ

339μJ是輸入電容中的最終能量，其中：

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

求解V，V = 8.23V。這與圖8中的6.2V測量值非常吻合。

現(xiàn)在，如果輸入旁路減小到僅0.1μF，輸入電壓可能會(huì)上升到破壞性電壓。所以，這一次是：

初始能量 + 雜散能量 = 最終能量
1.25μJ + 214μJ = 215μJ和0/1 × <>.<>μF × V2= 215μJ

求解V，V = 65.6V！

當(dāng)然，此過程會(huì)損壞額定電壓為5.5V的器件。此硬短路期間的波形如圖3所示。請注意，輸出也飆升至9.8V。這是因?yàn)槎搪吩陂_關(guān)關(guān)閉之前被移除，這也是該測試中高di/dt的原因。通常，di/dt由功率器件的關(guān)斷特性控制。使用USB端口時(shí)，電路取決于最終用戶 - 這種情況是無法控制的。像這樣極快的關(guān)閉可能是由間歇性電纜、損壞的連接器或在這種情況下與機(jī)械連接相關(guān)的連接反彈引起的。

圖3.該數(shù)據(jù)表明，當(dāng)輸入端只有0.1μF電容時(shí)，輸入電壓可能會(huì)飆升至破壞性電位。

顯然，電壓不會(huì)上升到66V。這是因?yàn)樵撈骷寻l(fā)光，從而箝位電壓上升，并可能因吸收的能量而受到損壞。在這種過壓事件中，多余的能量被硅芯片吸收。圖 3 的更快特寫如下圖所示 4。

圖4.這是圖 3 的縮放。注意關(guān)斷期間的高di/dt，并且一些存儲(chǔ)的能量已經(jīng)到達(dá)輸出！此事件破壞了 USB 開關(guān)。

圖4顯示，在相同的電路下，較大的輸入旁路電容可提供額外的保護(hù)，防止硬短路后的雜散能量。通常，帶有接地層的印刷電路板（PCB）的雜散電感比該測試中使用的測試引線或?qū)嶒?yàn)室中的測試引線要小得多。在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行測試時(shí)，減少測試引線和測試設(shè)備的雜散尤其困難。

輸入電感限制峰值電流

圖5顯示，即使輸入引線電感高達(dá)1.3μH，該器件也能采用10μF旁路電容。

圖5.該圖顯示了輸入端長引線（1.3μH）以及10μF輸入旁路時(shí)的性能。注意輸入電流上升和下降的速度有多慢。該器件也在齊納二極管，因此電流溢出到輸出端（見 I外波形），當(dāng)輸入電壓超過8V，但開關(guān)存活時(shí)。

圖5顯示，由于電感較大，輸入電流緩慢上升和下降。這是一個(gè)重要的注意事項(xiàng)，表明雖然電感要大得多，但電流不能變化得那么快。由于存儲(chǔ)在電感中的能量是電流的平方，并且只是電感的線性刻度，因此高峰值電流攜帶的能量要多得多。存儲(chǔ)在1.3μH電感中的能量僅為419μJ：

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

如上所述求解V，V = 10.43V。

雖然該器件確實(shí)能承受這種硬短路，但建議使用更大的旁路電容，并將最大電壓限制在數(shù)據(jù)手冊中規(guī)定的絕對最大值以下。

結(jié)論

如果不考慮雜散電感中存儲(chǔ)的能量，USB設(shè)備可能會(huì)受到過壓甚至破壞。圖5顯示輸入電感是峰值電流的限制因素，但圖2顯示電阻是限制因素。可以得出結(jié)論，較低的輸入電感可能表現(xiàn)更好。然而，如果不限制電流，低電感情況下的能量也會(huì)達(dá)到破壞性水平。因此，必須小心謹(jǐn)慎，確保這種情況不會(huì)發(fā)生。圖2顯示電流受0.1Ω電阻的限制。雖然電感降低后電流會(huì)上升得更快，但如果達(dá)到電流限制，電感越小，存儲(chǔ)的能量就越少。

在大多數(shù)PCB應(yīng)用中，保護(hù)開關(guān)下方有一個(gè)接地層，輸入和輸出走線，電感應(yīng)遠(yuǎn)低于180nH。接地層上 1/16 英寸寬的 PCB 走線每英寸大約為 10nH。每個(gè)應(yīng)用程序都有自己的情況，這些情況決定了必須部署的輸入旁路的大小。對預(yù)期電感的測量和分析可能表明需要更大的旁路來提供可靠性。相反，它可能表明允許減少輸入旁路電容。

審核編輯：郭婷