對於1.2A限流，通常認為在發生故障或短路時電路保護IC會hui保bao持chi在zai完wan全quan受shou控kong狀zhuang態tai。而er實shi際ji情qing況kuang是shi，在zai達da到dao限xian流liu條tiao件jian後hou通tong常chang需xu要yao一yi個ge延yan時shi才cai能neng真zhen正zheng關guan閉bi開kai關guan。發fa生sheng硬ying件jian短duan路lu時shi，電dian流liu迅xun速su上shang升sheng
，首shou先xian會hui達da到dao直zhi流liu限xian製zhi條tiao件jian並bing開kai始shi關guan閉bi開kai關guan(直流限製可以非常精確，但反應速度較慢，較慢的反應速度可以避免浪湧和其它偽故障事件造成開關閉合)。雖然開關會在短時間內斷開
，但此時峰值電流可能已經遠遠高於直流門限。引線寄生電感較低時，電流可能上升更快。請參考圖1。

 

 

我們采用具有較低引線電感的MAX1558 USB開關，發生硬件短路時，通過芯片內部保護開關實現電流限製。當保護電路最終斷開開關時，可以測量到峰值電流(I)，這個過程如圖2所示。峰值電流流過輸入端的寄生電感(LSTRAY)
，將儲存以下能量(E)：

 

E = ½ × LSTRAY × I² 

 

斷路器或保護開關斷開後，能量會消耗到哪裏呢? 

 

圖1. 該電路表明了硬件短路時的電流路徑以及寄生電感驅動下的電流路徑

 

圖2. 波形顯示了具有10µF CBYPASS情況下的短路響應，從VIN波形可以看出：由於電流變化使得輸入電壓上衝到了8.6V。

 

從圖2可以看出：輸入電流(IIN)很快上升到48.8A，然後被限製。開關斷開時
，可以測量到電流下降的速率，當IIN以20A/µs下降時
，VIN將上衝到8.6V (VMAX)
，可以根據下式計算電路電感：

 

(VMAX - VIN) = di/dt × LSTRAY

 

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

 

所以，根據E = ½ × LSTRAY × I²，故障結束時有214µJ的能量存儲在LSTRAY中。需要利用旁路電容吸收這部分能量並限製電壓的上升。如果選擇10µF輸入電容，初始電壓為5V

，初始儲能為：

 

½ × C × V² = E

 

現在，假設所有存儲在LSTRAY中的能量最終都轉移到輸入電容CBYPASS上，那麼：

 

初始能量 + 寄生能量 = 最終能量

 

125µJ + 214µJ = 339µJ

 

339µJ是輸入電容的最終能量
，根據：

 

½ × C × V² = E

 

或：

 

½ × 10µF × V² = 339µJ

 

求解V
，得到：V = 8.23V。這與圖2中的8.6V測量值非常接近。

 

如果輸入旁路電容隻有0.1μF，輸入電壓將上升到具有破壞性的電壓值。按照0.1µF重新計算：

 

初始能量 + 寄生能量 = 最終能量

 

1.25µJ + 214µJ = 215µJ

 

並且：

 

½ × 0.1µF × V² = 215µJ

 

求解V，得到：V = 65.6V!

 

顯然，這個過程將損壞額定電壓隻有5.5V的器件。對於這種情況下的硬件短路波形如圖3所示，注意輸出也會上衝到9.8V，這是由於短路後才會斷開開關
，它也取決於本次測試時的快速di/dt變化。通常di/dt由功率器件的關斷特性決定。對於USB口，電路取決於終端用戶—存在任何可能性
，但在掌控之內。引起這樣極端的快速關斷的原因可能是由於電纜斷裂、連接器發生問題，或連接過程中的機械故障，如本例所示。

 

圖3. 從波形可以看出，若輸入電容隻有0.1µF，輸入電壓會上衝到一個潛在的破壞性高壓。

 

當然電壓不會上衝到66V理li論lun計ji算suan值zhi，這zhe是shi因yin為wei芯xin片pian內nei部bu集ji成cheng了le齊qi納na保bao護hu管guan
，可ke以yi鉗qian製zhi電dian壓ya的de上shang升sheng
，並bing可ke能neng由you於yu吸xi收shou能neng量liang而er被bei損sun壞huai。發fa生sheng過guo壓ya的de過guo程cheng中zhong，額e外wai的de能neng量liang被bei矽gui片pian吸xi收shou。下xia麵mian的de圖tu4是圖3的時間展開圖。

 

圖4. 圖3的時間展開圖，注意到開關關斷期間較高的di/dt變化率
，部分存儲能量已經送至輸出端！這將損壞USB開關。

 

從圖4keyikanchu
，duiyuxiangtongdianlu，jiaodadeshurupangludianrongkeyigenghaodiyingduiyingjianduanluzaochengdejishengnengliang，congertigongewaibaohu。tongchang，daiyoudicengdeyinshuadianluban(PCB)比測試當中的引線或實驗室中其它連接具有更小的寄生電感。在實驗室做測試時，降低連接線和測試設備的寄生電感非常困難。

 

 

圖5所示，即使存在高達1.3µH的輸入引線電感
，如果使用10µF的旁路電容，器件仍然可以免於損壞。

 

圖5. 此波形顯示了輸入長引線產生的寄生電感較大(1.3µH)時的情況
，同樣使用10µF輸入旁路電容。注意：輸入電流的上升和下降比較緩慢。當輸入電壓超過8V時
，器件也會發生齊納擊穿

，電流被泄漏到輸出端(可以由波形圖中的IOUT看出)，但開關不會損壞。

 

從圖5可以看出，較大的電感減緩了輸入電流的上升

、xiajiangsudu。zheyidianhenzhongyao，dianganjiaodashidianliudebianhuasulvdadajiangdi。yinweicunchuzaidianganneibudenengliangyudianliupingfangchengzhengbi
，yudianganchengzhengbiguanxi，jiaogaodefengzhidianliuhuicunchugengduodenengliang。cunchuzai1.3µH電感的能量僅為419µJ：

 

125µJ + 419µJ = 544µJ

 

並且

 

½ × 10µF × V² = 544µJ

 

由上式求解V，得到：V = 10.43V。

 

雖然器件在這硬件短路時幸免於難
，但仍推薦選用一個更大的輸入旁路電容，以限製最大電壓
，使其低於數據資料中規定的極限參數。

 

 

如果設計中沒有考慮存儲在寄生電感中能量

，USB器件可能由於過壓而造成損壞。圖5所示，輸入電感可以是峰值電流的限製因素，從圖2可(ke)以(yi)看(kan)出(chu)電(dian)阻(zu)也(ye)可(ke)以(yi)限(xian)製(zhi)電(dian)流(liu)。如(ru)果(guo)電(dian)流(liu)被(bei)限(xian)製(zhi)在(zai)導(dao)致(zhi)器(qi)件(jian)損(sun)壞(huai)的(de)電(dian)平(ping)以(yi)下(xia)，較(jiao)低(di)的(de)電(dian)感(gan)有(you)助(zhu)於(yu)改(gai)善(shan)電(dian)路(lu)的(de)安(an)全(quan)工(gong)作(zuo)。如(ru)果(guo)電(dian)流(liu)沒(mei)有(you)得(de)到(dao)應(ying)有(you)的(de)限(xian)製(zhi)，能(neng)量(liang)在(zai)低(di)電(dian)感(gan)情(qing)況(kuang)下(xia)釋(shi)放(fang)可(ke)能(neng)迅(xun)速(su)達(da)到(dao)破(po)壞(huai)性(xing)水(shui)平(ping)。需(xu)要(yao)特(te)別(bie)注(zhu)意(yi)避(bi)免(mian)這(zhe)種(zhong)情(qing)況(kuang)的(de)發(fa)生(sheng)。圖(tu)2所示電路中，電流由0.1Ω電阻限製。雖然減小電感後會使電流的上升速度提高，如果采取適當的限流措施，較小的電感有助於降低儲能。

 

大多數PCB設計在保護開關以及輸入輸出路徑下方都有一個地層，電感通常遠遠低於180nH。對於下方有地層的1/16英寸寬的PCB走線
，每英寸長度大約會產生10nH電感。應根據具體應用環境
，確定所需要的輸入旁路電容。從電感的測量、分析結果看，可能需要更大的旁路電容來保證係統的可靠性，當然
，也有可能允許降低輸入旁路電容。 

 

本文來源於Maxim。