固态USB开关及其它过流保护器件的浪涌测试

摘要：固态过流保护IC，比如USB和卡槽的电源开关，提供了一种简单、可靠的引脚保护方法，在生产测试或用户使用不当发生过载或短路时提供有效的系统保护。这些器件的保护能力并非没有限制，本文主要讨论了这些限制因素。

概述

对于1.2A限流，通常认为在发生故障或短路时电路保护IC会保持在完全受控状态。而实际情况是，在达到限流条件后通常需要一个延时才能真正关闭开关。发生硬件短路时，电流迅速上升，首先会达到直流限制条件并开始关闭开关(直流限制可以非常精确，但反应速度较慢，较慢的反应速度可以避免浪涌和其它伪故障事件造成开关闭合)。虽然开关会在短时间内断开，但此时峰值电流可能已经远远高于直流门限。引线寄生电感较低时，电流可能上升更快。请参考图1。

通过电阻限制电流

我们采用具有较低引线电感的MAX1558 USB开关，发生硬件短路时，通过芯片内部保护开关实现电流限制。当保护电路最终断开开关时，可以测量到峰值电流(I)，这个过程如图2所示。峰值电流流过输入端的寄生电感(LSTRAY)，将储存以下能量(E)：

E = ½ × LSTRAY × I²

断路器或保护开关断开后，能量会消耗到哪里呢?


图1. 该电路表明了硬件短路时的电流路径以及寄生电感驱动下的电流路径


详细图片(PDF, 732kB)
图2. 波形显示了具有10µF CBYPASS情况下的短路响应，从VIN波形可以看出：由于电流变化使得输入电压上冲到了8.6V。

从图2可以看出：输入电流(IIN)很快上升到48.8A，然后被限制。开关断开时，可以测量到电流下降的速率，当IIN以20A/µs下降时，VIN将上冲到8.6V (VMAX)，可以根据下式计算电路电感：

(VMAX - VIN) = di/dt × LSTRAY

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

所以，根据E = ½ × LSTRAY × I²，故障结束时有214µJ的能量存储在LSTRAY中。需要利用旁路电容吸收这部分能量并限制电压的上升。如果选择10µF输入电容，初始电压为5V，初始储能为：