USB电源适配器的电路保护方案
USB接口电源适配器电路及维修技巧
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USB电路保护的设计考虑
37２００３．１１／下半月 ｗｗｗ．ｅｅｐｗ．ｃｏｍ．ｃｎＥＣＮ ＨＩＧＨＬＩＧＨＴＳＥＣＮ精选１：可以基于成组或单独端口形式进行设计。
２：双模式集线器能够以自带电源或总线供电两种模式进行工作。
表１ ＵＳＢ器件的电路保护与电源切换要求在ＵＳＢ的功耗管理方面，ＵＳＢ备电流限流和／或电源切换功能。
开关可以用作过流保护措施。
在出现故障的情况下，而且有助于系统的安全性达到ＵＬ标准。
ＰＰＴＣ器件与熔断器类似之处，路不受过大电流的损伤。
它们与熔断器的区别在于：路电源被切断、故障排除以后，其自身能够复位。
的电源开关器件，其内部除了电源开关功能外，线器、双模式工作集线器和低功耗主控。
它们被用作防浪涌限流器件，同时具备电阻小、限流动作快等特点。
对于功耗受到严格限制的主机来说，这是一种实用的、经济性好的解决方案，在这类主机中，快速的限流响应能在故障条件下进一步减少系统的电压降，而且可通过对电源的开断控制来改善节能特性。
工业规范要求ＵＳＢ规范提出，ＵＳＢ产品需要具备电流限流或电源切换能力，有时甚至需要同时具备这两种能力（表１）。
需要限流功能的产品，其必须满足ＵＬ ６０９５０规范的要求。
这意味着一旦出现短路或者其他故障的话，必须在６０ｓ内将电流输出限制到５Ａ以下。
ＵＳＢ规范还定义了可接受的电压输出水平，对系统的总压降也作出了限制。
保护性电源开关技术ＵＳＢ电源总线上所用的保护性电源开关器件，是硅要经历两个步骤。
器件在数微秒内先“跳开”，把电流限制到一个预定的范围之内，该范围高于通常的工作电流；然后器件向控制器发出出现故障的信号。
然后控制器切换电源开关使能引脚的状态，从而将端口关闭。
如果控制器不作出响应，电源开关就不断开启和关闭端口，以防止内部因过热而受损。
关键性的器件参数ＵＳＢ应用中涉及的关键性器件参数包括：开关电阻、连续输出电流、跳脱动作时间（ｔｉｍｅ－ｔｏ－ｔｒｉｐ）、限流设定点、故障标志发出延迟（ｆａｕｌｔ ｆｌａｇ ｄｅｌａｙ）、限流释放点和跳脱点电流消耗（ｔｒｉｐｐｅｄ ｃｕｒｒｅｎｔ ｄｒａｗ）。
USB供电的充电电路图及原理介绍
USB供电的充电电路图及原理介绍除直接供电USB器件外，USB更有⽤的⼀个功能是⽤USB电源进⾏电池充电。
由于很多便携装置(如MP3播放机，PDA)与PC交换信息，所以，电池充电和数据交换同时在⼀条缆线上进⾏将会使装置⽅便性⼤⼤增强。
把USB和电池供电功能结合起来，扩⼤了“⾮受限”装置(如移动web相机连接PC或不连接PC⼯作)的⼯作范围。
在很多情况下，不必携带不⽅便的AC适配器。
从USB对电池充电可以复杂也可以简单，这取决于USB设备要求。
对设计有影响的因素通常是“成本”、“⼤⼩”和“重量”。
其它重要的考虑包括：1)当设备插⼊到USB端⼝时，带放电电池的设备能够以多快的速度进⼊完全⼯作状态；2)所允许的电池充电时间；3)受USB限制的电源预算；4)包含AC适配器充电的必要性。
本⽂从电源观点详述USB之后，将针对这些问题给出解决⽅案。
图1 USB电压降(来⾃通⽤串⾏总线规定Rev2.0)图2 USB器件插孔图3 从USB简单充电100mA和从AC适配器充电350mA不需要枚举，这是因为USB充电电流不超过“⼀个单元负载”(100mA)。
3.3V系统负载总是从电池汲取电流。
USB电源所有主机USB设备(如PC和笔记本电脑)⾄少可以供出500mA电流或每个USB插⼝提供5个“单元负载”。
在USB述语中，“⼀个单元负载”是100mA。
⾃供电USB插孔也可以提供5个单元负载。
总线供电USB插孔保证提供⼀个单元负载(100mA)。
根据USB规范和图1的说明，在缆线外设端，来⾃USB主机或供电插孔的最⼩有效电压是4.5V，⽽来⾃USB总线供电插孔的最⼩电压是4.35V。
这些电压在为锂离⼦电池充电时(⼀般需要4.2V)，其余量是很⼩的。
插⼊USB端⼝的所有设备开始汲取的电流不得⼤于100mA。
在与主机通信后，器件可决定它是否可以占⽤整个500mA。
USB外设包含两个插孔中的⼀个。
两个插孔都⽐PC和其他USB主机中的插⼝要⼩。
能够对电池进行保护的USB接口充电电路
能够对电池进行保护的USB接口充电电路
现如今USB数据接口已经成为了世界范围内个人电脑、智能手机、移动设备等产品的标准外接接口之一。
并且随着科技的发展，USB接口不单单再是对数据进行单一的传输，还肩负起了为智能设备进行充电媒介的作用，这也是目前UCB接口应用的热点之一。
本文将为大家介绍一种能够防止电池漏电的USB接口锂离子电池充电电路设计方案。
图1
如图1所示，图1是由MAX1551/1555构成的一种实用USB锂电池充电电路。
MAX1551/1555是MAXIM公司设计生产的USB单节锂电池充电芯片，为5引脚薄型SOT23封装，允许USB接口或者墙壁AC适配器3.7V~7V范围的电压输入。
芯片内部还具有温度限制电路。
对于此电路，当连接到USB口但无墙壁AC适配器的DC电源时，充电电流被设定为100mA（最大值）。
这样在不需要端口通信的情况下，就允许从供电的或未供电的USB口充电。
当DC电源接通后，充电电流被设定为
280mA（典型值），同时USB接口的输入自动被切断。
如果两个输入端都无电压输入，电路则自动截止，这时电池的反向漏电流小于5uA，无需外加二极管来防止电池漏电而发生损耗。
当电池电压低于3V时，会进入充电电流被限定为40mA的预充电模式（涓流充电状态），只有当电池被充到3V以上时才进入正常的充电模式（100mA或280mA）。
这样的模式保护了深度放电的电池。
图3和图4分别。
USB电路保护图
车载ECU的安全性能要求很高，在电气、物理、化学等各方面，各大汽车厂商通常都有自己严格的标准。
一般情况下，车载ECU的外部接口都要有各种故障保护电路，其中最重要的莫过于对车载12V电源或对地发生短路时的保护电路。
由于USB接口可以直接输出5伏电源，所以短路保护显得尤为重要。
本文设计的保护电路可以实现对USB电源输出线的有效保护，无论USB电源输出线VBUS发生对12V电源还是对地短路，均不影响车载ECU内部电路的正常工作，实现了本质安全级的短路保护。
1、前言为了保证行车安全，车载ECU的安全性能要求很高，在设计时便要保证故障发生率尽量低。
作为目前应用最为广泛的移动外设与主机间通讯接口，USB（Universal Serial Bus）具有成本低、使用简单、支持即插即用、易于扩展等特点，在车载娱乐和存储设备上获得了广泛的应用。
因为USB接口提供了内置电源，可提供500mA以上的电流，对于一些功率较大的设备，如移动硬盘等，其瞬时驱动电流则可达到1A以上。
如果车载ECU上带有像USB总线这种可以直接输出电源的接口，为防止接口电路发生对电源或对地短路时损坏机体，其接口部分通常都应具有保护电路，以便执行故障自诊断和保护功能。
当系统产生故障时，它能在存储体中自动记录故障代码并采用保护措施，防止系统损坏，避免引起安全事故。
2、电路设计利用比较器并结合外围电路，本文设计了一种可以自动探测USB电源输出线是否发了对12V电源或地短路，并且可以在短路故障发生时自动切断电源供应的保护电路。
另外，如果探测到联接设备不在支持的USB设备之列，系统也可以借助本电路主动断开电源供应，并自动根据设备的连接状态实现对电源供应的控制。
具体电路如图1所示。
图1 USB VBUS短路保护电路图中MN1和MN2是USB电源通道上的两个MOSFET，用于控制5伏电源的输出，它们的G端都连接到比较器的输出端上。
比较器的正端电位值受3.3伏和VBUS共同影响，负端电位值由Umid通过电阻分压来决定，Umid的值总是与VCC5V和VBUS中的大者相同。
USB外设的电源设计
USB外设的电源设计USB（Universal Serial Bus）外设的电源设计需要考虑以下几个方面：电源供应、电源管理、电源保护等，下面将对这些方面进行详细介绍。
一、电源供应B总线供电：USB外设可以通过连接到计算机的USB接口来获取电源供应。
根据USB规范，每个USB接口的标准供电电流为500mA，即最大功率为2.5W。
因此，设计USB外设时需要确保其功耗在规定范围内，以避免对主机和其他设备造成供电不足的影响。
2.外部电源供应：如果USB外设的功耗超过了USB接口的供电能力，或者想要更加稳定和可靠的电源供应，可以考虑采用外部电源供应方式。
这种方式可以通过USB接口上的5V和GND引脚，连接外部电源适配器或电池。
设计时需要注意外部电源的电压和电流要符合USB规范，并采取电源滤波、稳压等措施来确保电源的质量和稳定性。
二、电源管理1.电源模式管理：USB外设在不同的工作状态下对电源的需求是不同的，设计时可以采用电源模式管理来实现功耗的优化。
例如，在设备处于空闲状态时可以进入低功耗模式，以减少能耗。
2.电源控制：为了进一步节省能耗，设计时可以对外设中的不同部分进行功率管理。
通过在合适的时候关闭或者降低一些模块的工作电压或频率，可以有效地减少功耗。
三、电源保护1.过压保护：设计时需要加入过压保护电路，以防止输入电压过高对外设造成损害。
可以采用过压保护芯片或者稳压芯片来监测和控制输入电压的范围。
2.过流保护：USB接口的标准供电电流为500mA，为了防止外设的过载，设计时需要考虑加入过流保护电路。
可以采用不同方案，如熔断、过流保护芯片等来实现过流保护。
3.短路保护：设计时还需要考虑加入短路保护电路，以防止外设出现短路情况时对电源或其他设备造成损害。
可以通过检测输出电流来判断是否发生短路，并及时切断电源。
4.温度保护：为了防止外设因过热而损坏，设计时可以加入温度传感器和保护电路，一旦温度超过设定阈值，及时采取措施来降低温度或者停止工作。
usb插座保护原理
usb插座保护原理USB插座保护原理是指对于USB插座的设计和制造过程中，采取一系列措施和技术手段，以确保插座正常运行，并避免因外部因素而对设备和用户造成损害。
下面将详细介绍USB插座保护的原理。
1.电压保护：USB插座通常要求输入电压为5V，因此对于外部超过或低于5V的电压，需要进行保护。
常见的保护方法有过压保护和欠压保护。
过压保护采用过压保护芯片来监测输入电压，一旦超过设定的阈值，即可切断电路，以保护设备不受损害。
欠压保护通常采用欠压检测电路，当输入电压低于设定的阈值时，也会切断电路，避免设备无法正常工作。
2.过流保护：USB插座通常会输出一定的电流，但如果外部设备对电流的需求超过了插座的输出能力，就可能会导致设备过热或损坏。
为了避免这种情况发生，USB插座采用了过流保护技术。
过流保护可以通过电流传感器来监测输出电流的大小，一旦超过安全范围，就会切断电路，以防止设备被烧毁。
3.过热保护：由于USB插座可能长时间工作，或者外部环境温度较高，因此需要采取措施来防止过热。
常见的过热保护技术包括温控开关和温度传感器。
温控开关可以根据设定的温度阈值来判断是否过热，并及时切断电流，以保护设备和用户的安全。
温度传感器可以检测插座的温度，并传输给控制芯片进行处理，如果温度超过设定阈值，则可以采取相应的措施进行保护。
4.短路保护：短路是指两个电源极端之间存在过低电阻的连接。
当USB插座遭遇短路时，可能会导致插座电路过载，甚至导致火灾等危险情况。
为了解决这个问题，USB插座通常采用短路保护技术。
短路保护可以通过短路检测电路来实现，一旦检测到短路情况，就会切断电路，以保护设备和用户的安全。
5.静电保护：由于USB插座通常处于外部环境，易受静电干扰。
静电可能会对插座产生电压冲击，导致设备故障。
为此，USB插座采用了静电保护技术，如静电保护元件和电磁屏蔽等。
静电保护元件可以通过吸收静电能量来保护插座，防止电压冲击，而电磁屏蔽可以阻挡和吸收来自外部的电磁干扰，保证USB插座的正常工作。
USB 3.0电路保护
图1 USB 3.0 增加了双差分数据对图2 USB 3.0多端口集线器配置（另请参见图7和8）离器件的保护解决方案是保护每个单独的数据线，这可能不是理想的解决方案了。
直接放在数据对中的新半导体阵列ESD保护装置，不仅保护了传统的USB 2.0数据线，而且也保护了这些额外的数据信号对。
对于过电流保护，USB3.0规范第11.4.1.1.1规定：(1)为了安全起见，主机和所有自供电集线器必须实现过电流保护，该集线器必须具有一种方法来检测过电流情况，并将其报告至USB软件。
(2)过电流限制机制必须在无需用户干预的前提下自行复位。
聚合物PTC和固态开关就是可以用于过的过电流损坏。
它也可以帮助实现UL60950-1标准中第2.5节(有限电源，表2B)的规定，其中规定必须限制短路电流在5秒内小于8A。
相关的USB集线器应用程序和USB 3.0的过电流保护规范如11.4.1.1.1条中陈述：如果下行端口的总电流超过预定值时，过电流保护电路可以消除或减少所受影响的下行端口的功率。
预设值不能超过5.0A，而且必须足够大于所允许的最大端口电流或时间延迟的瞬态电流(例如，开机，动态连接或重新配置时)可以受到过电流保护。
图3 美国力特为USB 3. 0推荐的PTC产品流。
两端口的应用程序设计人员可以把两个端口(总输出1.8安)联系在一起，使用一个PTC保护两个端口，产品型号1206L350SLYR是一个不错的选择，因为它在60℃时可以保持2.19安的电流。
所有推荐的型号都是能够在故障电流为8安的时候，以用时小于5秒的速度启动，以此满足各方面的安全考虑。
发生静电放电事故时电压往往可以高达15千伏甚至更高，其会导致软故障，潜在损害或灾难性故障。
额外的ESD保护是提高现代界面端口生存能力的必要条件。
为了确定外部ESD事故的预防系统，已经开发了几个测试标准，其中国际电工委员会(IEC)61000-4-2条款受到最广泛的认可。
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USB电源适配器的电路保护方案
-------AEM科技应用工程师郭田青
随着当今社会人们手中的手机、平板电脑等智能手持设备功能的不断升级强大，娱
乐和个性化的应用也使得设备的电池的续航能力成为其中的一个死角。
现实生活中我们可
能经常会看到我们周边的朋友随身带个移动电源，没有随身电源就只能随时找地方对设备
充电了。
因此电源适配器作为标配产品一直成了人们的必需品。
以苹果手机的USB电源适配等为代表的小型化适配器越来越受人亲睐，越来越多的电路元器件的SMD小型化封装让以往常见的电源充电器能够做到更加的小巧玲珑，集美观与便
携于一体。
本文从内部电路重要的安规器件——保险丝的应用角度，说明AEM科技推出的创新型SMD 250VAC FUSE——MF2410系列适应潮流，如何布局在这类小尺寸
AC/DC电源适配器上的交流应用，并如何做到我们倡导的“该断时及时断，不该断是不能断，时时保障安全！”的要求呢。
作为一款UMF通用模块型保险丝，必须让工程师在设计初考虑满足下述要求。
一、结构上最大限度满足小尺寸电源适配器对器件的小体积要求
以USB power Adapter为例，在这个层面上，结构限制了内部元件的体积，例如硬币大小的PCB面积也让SMD元件成了工程师的首选。
图1 整体设计的PCB面积均如硬币大小，可以让外观做到迷你型。
作为安规元件的保险丝，MF2410通用模块保险丝满足了上面的小体积和SMD工艺的需求。
相对于传统保险丝的尺寸，MF的体积小优势十分明显。
我们来看看市面上常用的几种保险丝尺寸大小比例：
表1 常见保险丝尺寸比较
MF2410 6.1mm 2.5mm 2.2mm 15.3mm
图2 可以看出MF 通用模块保险丝最大限度满足对体积的要求。
二、适合回流焊与波峰焊的SMT工艺
从生产工艺上讲，AEM 的MF保险丝材料与结构独具特点，这种SMT生产工艺不单省却了不少人工与辅材成本，根据我们对采用SMD fuse的客户原因调查，插件的引脚弯折加工导致fuse本体坏也是其中一种原因。
其次，由于电源电路插件的元件必不可少，因此生产工厂有采用波峰焊焊接的方式，保险丝需要承受波峰焊锡高温，与业界其它SMD陶瓷保险丝相比，AEM 的UMF通用模块式保险丝以环氧树脂为基体，电镀通孔的连接方式使熔丝与端头形成可靠的电连接和机械连接，不存在端头焊接受热脱帽现象，耐高温的能力突出。
图3 满足波峰焊、回流焊或手工焊的焊接工艺
三、基于电源电路设计的应用
USB 电源适配器电路属于AC/DC电源线路，典型的开关电源组成如下：
开关电源电路组成框图
开关电源的主要电路是由输入电磁干扰滤波器（EMI）、整流滤波电路、功率变换电路、PWM 控制器电路、输出整流滤波电路组成。
辅助电路有输入过欠压保护电路、输出过欠
压保护电路、输出过流保护电路、输出短路保护电路等.
1、常见输入电路对保险丝的雷击测试考量：
1.1、AC 输入防雷电路工作原理：
雷击测试时，由 MOV1、MOV2、MOV3：F1、F2、F3、FDG1 组成的电路进行保护。
当
加在压敏电阻两端的电压超过其工作电压时，其阻值降低，使高压能量消耗在压敏电阻上，若电流过大，F1、F2、F3 会烧毁保护后级电路。
当然在实际客户应用中，基于成本考虑，大部分厂家对F2、F3只在严酷的环境中使用。
典型电路单元如下：
1.2我们来计算差模雷击对保险丝的要求：
>>电路若有阻抗(如MLV)，Peak值估计大约为理论值的60~70%；例如，IEC61000-4-5典
型的雷击电压和电流波形及参数如下：
根据IEC最新标准要求四个相位角度测试至少10次，计算：
对于差模500v, I²T= 0.5*(250A*70%)^2*30us=0.416 A²S.
由此估算：差模500V，需要保险丝的I²t至少0.46 A²S以上，MF2410系列1A 保险丝在在该时间段I²t为0.6A²S，满足500V雷击要求。
对于差模1000v, I²T= 0.5*(500A*70%)^2*30us=1.83 A²S.
由此估算：差模1000V，要求2以上，MF2410 2A 保险丝在该时间段I²t为3 A²S，因此可以满足该级别雷击的需求。
根据欧规EN55024 和国标GB17618标准，通信类消费电子产品电源（charge、Adapter…）基本以满足雷击差模1000V为准。
因此，基于2410尺寸的MF 2A保险丝满足差模1KV的雷击要求。
2、对开机浪涌的防护
为了避免保险丝不正常的熔断，除了要知道AC/DC电源正常工作电流，工程师对Inrush current进行计算评估也显得相当重要。
电源电路存在较大的储能元件，AC输入端的滤波
网络主要是对输入电源的电磁噪声及杂波信号进行抑制，防止对电源干扰，同时也防止电
源本身产生的高频杂波对电网干扰。
如电路图中，当电源通电瞬间，要对 C5 充电。
由于
瞬间充电电流大，对保险丝熔丝形成熔断风险，这种情况要求工程师对Inrush current做计算评估了，再选定额定电流规格的保险丝。
例如，我们曾对采用4.7uf的电解电容的10W
电源适配器捕捉的Inrush current 波形情况如下：
上图参数如下： Inrush Current : I peak=35.9A；Duration : t≈30us
计算Inrush I²t=1/2* I peak²*t=0.0019 A²S，按照保险丝脉冲折减比例，满足100000次开机浪涌的需求，保险丝的I²t（热熔值）需要满足：
0.0019/20%=0.095 A²S
所以需要保险丝的I²t≥0.095A²S，从抗电流浪涌角度MF2410F0500TM以上型号保险丝均满足要求。
3、UMF保险丝的通用性问题
保险丝除了满足电路的上述要求外，产品的通用性也是工程师考虑的问题，作为安规器件，如此小尺寸的保险丝，获得通往各国市场的安规认证，也是获得客户订单必要条件。
事实上，AEM推出的这款全球技术领先的产品，以全球最小尺寸符合IEC60127-4标准，同时
取得UL、VDE、CQC、KC、PSE等国家和地区安规认证，满足厂家对保险丝熔断安规要求。
4、应用于新型USB 电源适配器快充技术的方案。
如今人们的手机和平板电脑等移动设备的屏幕越来越大，设备耗电量的越来越高的情况，
市场要求电源制造商须在更小的产品体
积当中提供更大功率的充电功能。
目前，
最新的AC/DC适配器解决方案是基于高
通Quick Charge 2.0协议的快速充电解决
方案。
作为最新的USB电池充电技术，
它使支持Quick Charge 2.0的被充电设
备比传统的USB充电方式快至75%。
图4 采用MF2410 2A/250VAC fuse的 iwatt 快充方案
程的主动快速放电专利技术能将输出电压从9V或12V降至5V，因此，当用
2.0手机的USB数据线，再将其连接至非Quick Charge 2.0手机时，iW620
避免对其造成损坏。
基本原理图如下：
为了应对日益严苛全球环保法规，例如欧盟的外部供电能源效率行为准则(Code of Conduct, CoC)对充电产品的功耗和效率都提出了具体的更高要求。
因此电源方案制造商有必要对快充方案做到待机功耗足够小和高效率的运作输出充电功率。
SMD FUSE
MF2410F2.000TM
目前市场上有采用保险电阻的电源适配器，功耗远大于应用保险丝的功耗。
例如，选用市
面上常用的10Ω5% 1W的保险电阻与MF 2410F1.000TM（内阻约0.0084Ω）功耗相比：W=I²R，输入阻抗的增大，将给整个系统增加无谓损耗。
现今，由PI、Dialog、NXP等电源IC领导厂商纷纷推出兼容Quick Charge 2.0协议的
快速充电的电源IC，预计未来几年支持Quick Charge 2.0协议的AC/DC适配器将逐步普及。
这类新型的小尺寸低功耗 USB电源适配器追求的元件SMT工艺化，逐渐降低生产企业人
力成本等。
随着市场的逐步扩大，又促使SMD元件厂家推出更符合市场要求的价格，进
一步满足小型电源适配器对元件高性价比的要求。
综上所述，对MF2410系列 250VAC fuse从产品尺寸、工艺、安规和功耗等在这种小
尺寸低功率AC/DC 电源适配器上应用的几个角度进行了阐述，说明这类SMD 250VAC fuse电路保护元件将逐步在AC/DC电源市场占据主流应用。
参考文献：
1.《AEM Fuse选型介绍》 2010。