USB電源過流保護芯片應用介紹

USB電源相關要求

USB應用的電壓等級是5V，但是有個波動範圍是4.75到5.25V之間；USB2.0的電流大小是500mA，USB3.0的電流大小是900mA，因爲USB相關組織規定了USB應用的安全性，因此對USB供電實現過流保護的功能，因此才產生USB過流保護芯片這個東西，當然保險絲可以實現同樣的功能但是保險絲難以控制，利用熔斷來保護系統，不夠智能且難以恢復。

因此接下來我們只介紹USB過流保護芯片。本次介紹的芯片模板文檔是如下的：
Microchip的MIC2005A芯片【https://www.microchip.com/wwwproducts/en/MIC2005A】

關於USB相關電路設計以及相關基礎知識可以查看之前的博文：

1、USB硬件設計注意事項

2、USB接口

3、USB OTG原理

4、USB ID信號

典型應用場景

以上就是典型的應用場景，即就是5V電源通過該芯片給後端USB供電，該芯片又由主控制器來控制；當未發生異常，則芯片一直持續工作；當發生過流時，系統主控可以很快地檢測到這種情形，然後來關閉該芯片，進而保護系統以及後端負載。

發生過流的原因：
1、這個可能是系統本身設計的不合理或者異常導致的；
2、也有可能是負載發生短路或者負載異常導致的過流發生。

芯片符號

引腳描述

VIN：輸入引腳，供電電源輸入，這個電源提供負載輸出電源以及內部供電；
GND：接地引腳；
EN：輸入引腳，芯片使能控制端；
FAULT/：輸出引腳，錯誤狀態；該引腳上的邏輯低電平指示開關處於限流狀態，或已被熱保護電路關閉。這是一個漏極開路輸出，允許對多個開關進行邏輯或。
CSLEW：輸入引腳，擺率控制。在此引腳和VIN之間添加一個小電容會減慢功率FET的導通速度。
VOUT：輸出引腳，負載電源輸出引腳，連接負載在這個引腳和地之間；
ILIMIT：輸入引腳，設定電流限制閾值引腳，連接一個電阻在這個引腳和地之間；
EP：熱焊盤，此類芯片可能會發熱，因此需要這個熱封裝焊盤接地；

Absolute Maximum Ratings 絕對最大參數

Absolute Maximum Ratings指的是絕對最大參數
Vin和Vout指的是輸出輸入電壓範圍；
All other pins指的是除過輸入電源和輸出電源的引腳；
Power Dissipation指的是功耗最大值；
Continuous Output Current指的是持續輸出電流能力；
Maximum Junction Temperature指的是芯片晶圓表面的最大溫度值；
Storage Temperature指的是存儲溫度；
Lead Temperature指的是焊接溫度；

Electrical Characteristics 電氣參數值

Ileak指的是漏電流的大小，請注意測試條件或者環境是當輸出爲0V，EN引腳不使能狀態時，輸出漏電流大小爲最大100uA；

**RDS(ON)**指的是當電源芯片開啓工作時，5V輸出，100mA負載下，功率MOS管的導通阻抗爲最大275mΩ，也就是0.2歐；

ILIMIT指的是輸出電流的限制值，這個取決於選擇芯片型號，一般是有固定輸出電流限制值的版本，也有可調節輸出電流限制的版本；

RDSCHG指的是負載泄放電阻，注意測試條件是當輸入爲5V電壓，測得的阻抗值爲最大200歐姆；

其實這個準確描述是當輸入通電，EN腳不使能，在輸出端加上一定電壓，此時測得電流就可以知道泄放電阻的大小；

ESD 靜電防護等級

$\color{#FF3030}{個人理解}$

ESD等級指的是ESD的防護等級，請注意芯片的靜電防護等級和我們直接使用靜電槍來測試測試系統的靜電等級不一致，芯片測試的儀器是專用儀器，相當貴。

請注意
1、VESD_HB指的是人體放電模型；
2、VESD_MCHN指的是機器放電模型；

功能框圖

VUVLO指的是輸入電源的保護，包含過壓保護與欠壓鎖定（就是芯片輸入電源太低，保護芯片不啓動，具體的原理就是輸入增加的比較器電路，輸入電壓和設定值比較，一般速度是很快的）。

GATE CONTROL指的是門極控制，主要是控制功率MOS管的開啓與關斷；

THERMAL SENSOR指的是熱傳感，即就是芯片過熱時，也會將芯片關斷，直到芯片內部溫度降到設定的閾值以下。

CONTROL VOLTAGE DETECTOR指的是芯片內部的邏輯功能控制部分，是芯片最爲核心的部分，也就是芯片的大腦。

功能描述

1.輸入和輸出

VIN既是驅動開關的內部電路的電源連接，也是功率MOSFET開關的輸入（源極連接）。VOUT是功率MOSFET和電源的漏極連接給負載供電。在典型電路中，電流從VIN流向VOUT，流向負載。由於啓用時開關是雙向的，因此如果VOUT大於VIN，電流將從VOUT流向VIN。當開關被禁用時，除了很小的不可避免的幾微安的漏電流外，電流不會流到負載。但是，當開關禁用時，如果VOUT超過VIN的二極管壓降（〜0.6 V）以上，則電流將通過功率MOSFET的體二極管從輸出流向輸入。

如果您的應用程序需要釋放CLOAD，請考慮使用MIC20X4或MIC20X7。這些MIC20XX系列成員均配有放電FET，以確保CLOAD完全放電。

2.電流檢測和限制

MIC20XX通過持續監控流過片上功率MOSFET的電流來保護系統電源和負載不受損壞。負載電流通過與功率MOSFET開關並聯的電流鏡進行監控。電流限制被調用當負載超過設置的過電流閾值時。

激活電流限制後，輸出電流將被限制爲極限值，並保持在該水平，直到移除負載/故障，負載的電流需求降至極限值以下或開關進入熱關斷狀態爲止。

圖3標籤鍵：
A.MIC201X負載過大（在該時間尺度上看不到壓擺率限制）初始電流浪涌受整體電路電阻和電源兼容性的限制，或者次級電流限制，以較小者爲準。
由於內部發熱，功率FET的RON增加（爲強調起見，誇大了效果）。
C.Kickstart™期。
D.啓動電流限制。故障/變爲低電平。
E.VOUT不爲零（負載很重，但在VOUT = 0V時不會出現短路）。短路響應的極限響應將是相同的）。
F.熱關機，然後熱循環。
G.釋放了過多的負載，仍保持正常負載。 MIC201X退出電流限制。
H.FAULT /延遲時間，然後是FAULT /變爲高電平。

$\color{#FF3030}{個人理解}$

過流相關新式叫法這個稱謂只是自己廠商的叫法，其實就是當過流狀況發生時，狀態只是輸出Fault變爲低電平表示芯片輸出異常，此時芯片內部開始控制，也就是開始進行MOS的關閉，但是在此過程中，因爲不是一直關閉而是關閉一段時間再開啓一段時間，如此循環，也就是過流解除了，就會恢復到穩定狀態；另外因爲處理有延遲，因爲可能有誤差；注意在此過程也伴隨着過熱的狀態，因爲短路電流很大，造成的發熱很厲害，此時一旦芯片內部溫度達到設計定閾值，芯片仍舊會關斷輸出。

3.Undervoltage Lock-Out欠壓鎖定輸出

欠壓鎖定功能可確保在器件達到最低2V，典型2.25V和最高2.5V的UVLOTHRESHOLD最低輸入電壓之前，不會發生異常操作。（請注意不同的芯片欠壓保護存在差異，但是差異很小，基本都在2V左右）。
在達到該電壓之前，輸出開關（功率MOSFET）爲OFF，並且沒有任何電路功能（例如FAULT /或ENABLE）被認爲是有效或可操作的。

當啓用開關時，VUVLO用作輸入電壓監控器。監控VIN引腳的電壓降，表明VIN電源負載過大。
當VIN低於VULVO閾值電壓（VVUVLO_TH）達32ms或更長時，MIC20XX將禁用開關以保護電源並允許VIN恢復。經過128ms後，MIC20X6使能開關。
只要VIN低於典型值爲250mV的VUVLO閾值電壓（VVUVLO_TH），此禁用和使能循環就會繼續。
VUVLO電壓通常由VIN至GND之間的分壓器建立。

個人理解

實現方式就是使用兩個分壓電阻，將Vin分壓的電壓給到芯片相關引腳，該分壓值和該引腳內部參考電源作比較，當分壓值小於參考電壓時，芯片鎖定不開啓，從而保護芯片實現欠壓鎖定，該功能的反應時間一般是nS級別。

4.ENABLE 使能控制

ENABLE引腳是邏輯兼容輸入，可激活主MOSFET開關，從而爲VOUT引腳供電。ENABLE是高電平有效或低電平有效的控制信號。ENABLE可能被驅動爲高於VIN，但不高於5.5V且不低於–0.3V。

個人理解

注意，該引腳我們一般是直接上拉到Vin或者下拉電阻到地；還有就是通過處理器的IO口來控制這個引腳，但是此時我們需要注意使用IO口時，儘量不要上拉處理，需要上拉的需要時注意IO口的電壓範圍，請注意是3.3V還是5V。

5.FAULT/ 錯誤知識輸出

FAULT /是一個N溝道漏極開路輸出，當開關開始限流或進入熱關斷狀態時，該信號有效（LOW true）。
當發生可能被認爲是故障的事件時，FAULT /會在短暫的延遲後斷言。
此延遲可確保僅在有效，持久，過流條件下才斷言FAULT /，並且可以濾除瞬態事件錯誤報告。
在MIC200X中，FAULT /在短暫的延遲時間（典型值爲32ms）後置位。清除故障後，FAULT /保持置位狀態，持續32ms的延遲時間。

由於FAULT /是漏極開路，因此必須使用外部電阻將其拉高，並且可以與其他類似的輸出進行線或運算，並共享一個上拉電阻。FAULT /可以連接到高於VIN但不高於5.5V的上拉電壓源。

個人理解

也就是說該引腳可以連接到Vin，也可以連接到與CPU同電源域的電源上，但是請不要連接到輸出電源引腳上。因爲當輸出異常時，該引腳就失去指示的作用了。

6.Soft-Start Control 軟啓動控制

通過開關充電時，較大的電容性負載會產生明顯的浪涌電流浪涌。因此，MIC20XX系列開關提供了內置的軟啓動控制，以限制初始浪涌電流。當ENABLE引腳使能開關時，通過控制功率MOSFET來實現軟啓動。
提供CSLEWpin可以增強導通時輸出電壓斜坡的控制。此輸入使設計人員可以選擇減小輸出的擺率，通過在CSLEW和VIN引腳之間添加一個外部電容來提高速率（降低電壓上升）。

個人理解

其實就是在內部MOS管的S極以及G極增加一個電容，目的是減小MOS瞬間開啓時的啓動電流大小。

原理如下所示：

7.Thermal Shutdown 熱關斷

如果芯片溫度超過安全工作水平，則採用熱關斷保護MIC20XX系列開關免受損壞。熱關斷會關閉輸出MOSFET並在芯片溫度達到145°C時斷言FAULT /輸出。當芯片溫度降至135°C時，該開關將自動恢復操作。

如果恢復操作導致模具重新加熱，將會發生另一個停機週期，並且開關將繼續在ON和OFF狀態之間循環，直到解決了過電流情況爲止。根據PCB佈局，封裝類型，環境溫度等的不同，從發生故障到輸出MOSFET被關斷可能需要數百毫秒的時間。該延遲是由於系統本身內部的熱時間常數引起的。

在任何情況下，器件都不會由於熱過載而損壞，因爲芯片溫度會通過片內芯片連續監控電路。

8.Setting ILIMIT 設定電流

MIC2009 / 2019的電流限制可由用戶編程，並由連接在ILIMIT引腳和GND之間的電阻控制。該電阻器的值由以下公式確定：

個人理解

注意，使用電阻時，一定要使用1%精度電阻，因爲這樣的話設定值很準。因爲CLF值本身存在誤差最大和最小，然後電阻又存在誤差，這樣的話最後除法的誤差更大，所以我們儘量減小誤差，選擇高精度電阻。
另一個需要注意的就是，不可能會有所有你需要的1%精度電阻，所以取值時需要注意折中處理。

9.ILIMITvs. IOUTMeasured 電流限制和輸出電流測量

MIC20XX的限流電路在限流過程中旨在用作負載的恆定電流源。
當負載試圖拉出的電流超過分配的電流時，VOUT下降，輸入至輸出電壓差增大。當VIN- VOUT超過1V時，IOUT降到ILIMIT以下，以減少系統電源上的故障電流消耗，並限制開關的內部發熱。
在測量IOUT時，請牢記這一電壓依賴性，這一點很重要，否則，當真正不存在測量數據時，測量數據可能會表明存在問題。

10.Automatic Load Discharge 自動負載泄放

當需要快速從VOUT引腳上移除電荷時，自動放電是一項有價值的功能。這樣可以更快地關閉負載電源。這還可以防止向連接到VOUT引腳的設備提供任何電荷，例如USB，1394，PCMCIA和Cable CARD™。自動放電由並聯的MOSFET從VOUT引腳到GND進行。禁用該開關時，將執行先斷後通操作，以關閉主功率MOSFET，然後啓用並聯MOSFET。MOSFET的總電阻和內部電阻通常爲126Ω。

個人理解

注意這個功能需要是在Vin提供電源，即就是正常供電；但是EN關斷時才能起到作用，即就是EN不使能，此時這個才能起到快速放電的作用。
當系統直接全部斷電時，也就是通過開關直接下電時，這一功能根本沒使用到，所以此時我們在設計時還是需要外部預留電阻，來實現放電的效果，這一點需要多多注意。

11.Supply Filtering 供電濾波

在開關的VIN和GND引腳附近放置一個至少1μF的旁路電容是良好的設計實踐，也是開關正常工作所必需的。這將控制電源瞬變和振鈴。沒有旁路電容器，可能會產生大電流浪涌或短路，會在VIN上產生足夠的振鈴（來自電源引線電感），從而導致開關的控制電路工作不穩定。
爲了獲得最佳性能和高質量，建議使用低ESR的電容器，最好是陶瓷電容器。當使用10μF及以上的電容器旁路時，優良作法是將一個較小值的電容器與較大的電容器並聯，以處理任何線路瞬變的高頻分量。
建議在0.01μF至0.1μF的範圍內。同樣，應選擇優質，低ESR的電容器。

個人理解

注意這個所謂的電源引線需要一定條件，假如是U盤這種設備，就不存在所謂的電源引線；另外就是該條件的發生需要很多的條件，比如走線很長、並且走線很細，大多數情況下，在一個小系統設計裏面，該種情形不存在，所以請注意。

12.Power Dissipation 功率損耗

功率損耗指的就是功率消耗，一般是用來發熱的那部分功耗；對於這個器件，那就是當芯片工作時，MOS管的開啓電阻所產生的熱功耗（主要是這部分，當然芯片內部也會消耗，但是佔很小一部分），這個一旦很大，很可能損壞芯片的，所以請注意。

個人理解

還有就是其實芯片發熱與採用的PCB板材、芯片的封裝、PCB的板層、以及PCB的Layout關係很大，但是我們只講芯片本身的問題，也就是本身功耗的控制與注意。

芯片的選擇

1、電流
我們USB常見的電流是500mA，如果你是標準的，那麼你就需要500mA限流的芯片；如果是USB3.0那你就要選擇是900mA的芯片；如果你是不確定，那建議你選擇可調輸出電流限制的芯片，後續只需要變更配置電阻就可以了；

2、電壓
雖然我們講的是USB的限流開關，此時電壓被限定爲5V，但是請注意此類芯片規格很多，不侷限於5V，也有3.3V、1.8V的，一定要根據自己的需求選擇。

3、封裝
有些是5引腳封裝、有些是6引腳封裝，請注意自己的需求，因爲兩者雖然差異不大，但是對於散熱還是有一定的影響；但是還請注意，有些是球形封裝，就是引腳在芯片下面，這一類芯片在測試時很難引出飛線，所以請注意這一點。

4、兼容性
現在我們一家公司不可能只使用一家作爲供應商，因爲現在商業形勢競爭激烈、也很複雜，所以我們在選擇多個公司作爲供應商時，需要注意芯片是否兼容，因爲兼容的話只需要一個設計，不兼容的話可能需要很多設備設計；

5、MOS開啓阻抗
因爲大多數情況下我們需要考慮功耗問題，所以我們需要注意MOS管的開通阻抗，此值一般是越小越好，越小則功耗越小。

6、成本
簡單來說就是你願意花多少錢，這時價格一定，可能你的選擇就基本確定了，因爲價格與質量、與需求還是有較大的關係的。

7、國產與非國產
其實就是多支持國產，給國產物料充足的信心以及自信，這樣國產半導體也纔會越來越好。

就說這麼多了，希望大家對此類芯片有個基本瞭解。

2020-3月

USB電源過流保護芯片應用介紹