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浅析USB接口的保护方案

近年来，互联网产业发展如火如荼，电子商务及硬件制造业等领域的发展也方兴未艾，层出不穷的电子设备在生活中日益普及，作为世界上最通用的接口之一USB接口得以被广泛应用，我们见证了从USB 2.0到USB 3.2的蜕变，也目睹了一个个不通用的接口被淘汰 。
与此同时，各大电子设备厂商对输出电流的要求也逐渐提高，从以前的5V/500mA升级到如今的20V/5A，在这种大电流的应用上，如果没有相应的保护措施势必会损坏内部电路 。有统计表明，超过40%的电子产品失效与USB接口有直接或间接的关系，而造成的不良现象通常包括系统死机、USB口烧坏等等 。究其原因，主要是由于USB具有即插即用的特点，在负载出现异常的瞬间，电源开关会流过数安培的电流，即处于长时间过流状态，从而对电路及系统造成了损坏 。
在此大背景下，USB接口的保护方案也得到了各大厂商的重视，其中限流保护方案就成为了设计过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渐渐被集成式方案所代替 。

浅析USB接口的保护方案
文章插图
于是，作为保护界的“爱马仕”维安（WAYON）推出了USB接口专用限流保护产品——WP25P21XX系列芯片，可满足小型化、智能化和集成化的需求，目前已经广泛应用于TV面板、TWS耳机充电仓以及机械硬盘接口等领域 。
USB接口的保护伞
维安（WAYON）WP25P21XX系列产品输入电压为2.5V~5.5V，可调电流限制范围在0.4A~2A之间，导通电阻70mΩ，28μA的静态功耗，主要封装形式为SOT23-5/6和DFN-6封装，可以满足小空间、低功耗产品的应用场景 。
在使用时，WP25P21XX系列产品通常用于USB接口和内部电源之间，输入、输出引脚外接1μF的陶瓷电容，对USB接口接入的设备提供工作电流，在接入的负载发生过流现象时提供过流保护，使得USB接口能够安全可靠的工作 。它可以保护和防止芯片内部功率器件免受大电流的冲击，加强电路带负载的能力 。
WP25P21XX产品通过采用SENSEFET结构的电流检测电路来提高系统的工作效率，同时利用电流检测电路实时监测输出电流 。当负载出现重载或短路情况时，内部的电流采样管能及时检测负载电流变化，并通过与基准电流的比较，采用负反馈环路将输出电流限定在安全的恒流状态，防止负载过重或短路造成的供电系统崩溃 。通过采用精密的修调技术，可实现10%和20%两种高精度需求 。
WP25P21XX正常工作温度为-40℃~+85℃，满足户外应用对温度的要求，而且内置欠压锁定、热关断、反向电流阻断等多重保护机制，能够全方位保障产品的电气安全性 。
其中FLT管脚是漏极开路输出，需要一个外部上拉电阻 。如果芯片限流保护状态被激活，FLT为LOW，表示故障已发生了 。微处理器通过对故障标志位的检测，可进行故障告警等处理措施，有利于故障定位、系统状态显示等操作 。一旦故障消失，它将自动返回高电平状态 。同时WP25P21XX具备的快速输出放电功能可确保已断开或禁用的负载不会被浮置 。当EN为低时，打开放电场效应晶体管（FET），创建一条从VOUT到GND的路径，确保该负载能快速返回到已知的0V“关闭”状态 。
更优的反向电流保护和防静电能力
【浅析USB接口的保护方案】 USB接口在使用过程中，既对外充当电源又为内部设备组件供电，极易引发反向电流 。如下图所示，反向电流是指系统输出端的电压高于输入端的电压，导致电流倒流通过系统 。反向电流会造成内部电路和电源的损坏，根据从输出到输入的路径，电缆也有可能被损坏，连接器的性能也会被降低 。根据PD = IREV*VDROP，当功率达到一定时，甚至会造成烧毁 。
WP25P21XX所集成的反向电流保护功能可以很好的保护USB接口免受反向电流的危害 。内部采用衬底电位选择电路，通过实时监测VIN和VOUT端口电压信号，始终保证功率PMOS管体电位处于最高电位，防止体二极管正偏，从而阻断反向电流发生 。WP25P21XX具有5 V施加在输出端，输入端施加0 V电压，以演示反向电流保护 。
可见，示波器监测的峰值反向电流为12.8 mA 。
除超强的反向电流保护功能外，WP25P21XX系列产品相比于同类器件还具有更优的防静电能力，通过改进GGNMOS多指型结构不同指之间寄生BJT的trigger电压的均匀性，从而保证在第一个器件发生最终击穿前全部开启，实现所设计所有对应的BJT开启，实现电流泄放目的 。经实测ESD（HBM）可达到8KV，完全满足用户实际使用中更为苛刻的使用环境 。
已批量供货于市场主流大客户
目前，WP25P21XX系列产品已批量供货于市场主流大客户，产品被广泛应用于TV面板、TWS耳机充电仓，以及机械硬盘接口等方面 。
市场中WP25P21XX系列产品的典型应用方案，限流开关被置于DC-DC芯片与后续电路之间，当电路内部出现故障时，限流开关将电流限制至所设置的限流值，为后续电路提供保护 。
在TWS耳机充电仓的应用中，通常配合TVS使用，可以有效的保护主芯片免受ESD和过流的侵扰 。
WP25P21XX系列的最大限流值为2A，为满足市场需求，维安将陆续推出输出范围更宽广，限流值更大的产品 。
WAYON（维安）创建于1996年，专注深耕电路保护元器件及功率半导体领域 。WAYON始终坚持“以客户为导向，以技术为本，坚持艰苦奋斗”的核心价值观，致力于通过技术创新引领市场，努力成为全球电路保护元器件及功率半导体的领先品牌 。
责任编辑:tzh

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