固態過流保護 IC，如 USB 和卡槽電源開關，提供了一種簡單而可靠的方法，用于保護在產品測試期間面臨過載或短路風險或客戶濫用的引腳。保護程度并非沒有限制，本文將探討這些限制。

介紹

在1.2A電流限制下，人們會認為電路保護IC可以在發生故障或短路時保持完全控制。現實情況是，電流限制通常顯示實際關斷之前的延遲時間。在硬短路期間，電流會迅速上升，首先達到直流限制并開始關閉開關。 （直流限制通常是一個準確但緩慢的閾值。緩慢的閾值可避免因浪涌和其他虛假事件而導致的滋擾跳閘。不久之后，開關打開，但在達到可能遠高于直流限值的峰值電流之前。低電感引線會導致電流上升得更快。參見圖1。

通過電阻限制電流

采用MAX1558 USB開關，具有低電感引線和硬短路，電流由內部保護開關阻性限制。當保護電路最終斷開時，可以測量峰值電流（I）。此過程如圖 2 所示。峰值電流流過雜散輸入電感（ LSTRAY），能量 （E） 存儲：

E = ? × LSTRAY × I2

一旦斷路器或保護開關最終打開電路，這些能量將流向何處？

圖1.該圖顯示了硬短路期間的電流路徑以及雜散電感驅動的后續電流路徑。

圖2.該圖顯示了 C 在 10μF 條件下的短路性能旁路.五世在跡線顯示，由于后續電流，輸入飆升至8.6V。

查看圖2，我們可以看到輸入電流（Iin） 非常迅速地上升到 48.8A，然后由于電阻而受到限制。當開關關閉時，我們可以測量電流下降的速率。與我在在 20A/μs 和 V 下擺動在飆升至 8.6V （V.MAX），我們憑經驗計算電路電感為：

(VMAX - VIN) = di/dt × LSTRAY

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

所以用 E = 1/2 × L流浪× I2，在故障結束時，L中存儲了214μJ流浪.需要旁路電容來吸收這種能量并限制電壓上升。初始充電為 10V 的 5μF 輸入電容存儲了一些初始能量：

1/2 × C × V2= E

現在，假設所有儲存在L中的能量流浪最終會出現輸入上限 C旁路然后：

初始能量 + 雜散能量 = 最終能量
125μJ + 214μJ = 339μJ

339μJ是輸入電容中的最終能量，其中：

1/2 × C × V2= E或10/<> × <>μF × V2= 339μJ

求解V，V = 8.23V。這與圖8中的6.2V測量值非常吻合。

現在，如果輸入旁路減小到僅0.1μF，輸入電壓可能會上升到破壞性電壓。所以，這一次是：

初始能量 + 雜散能量 = 最終能量
1.25μJ + 214μJ = 215μJ和0/1 × <>.<>μF × V2= 215μJ

求解V，V = 65.6V！

當然，此過程會損壞額定電壓為5.5V的器件。此硬短路期間的波形如圖3所示。請注意，輸出也飆升至9.8V。這是因為短路在開關關閉之前被移除，這也是該測試中高di/dt的原因。通常，di/dt由功率器件的關斷特性控制。使用USB端口時，電路取決于最終用戶 - 這種情況是無法控制的。像這樣極快的關閉可能是由間歇性電纜、損壞的連接器或在這種情況下與機械連接相關的連接反彈引起的。

圖3.該數據表明，當輸入端只有0.1μF電容時，輸入電壓可能會飆升至破壞性電位。

顯然，電壓不會上升到66V。這是因為該器件已發光，從而箝位電壓上升，并可能因吸收的能量而受到損壞。在這種過壓事件中，多余的能量被硅芯片吸收。圖 3 的更快特寫如下圖所示 4。

圖4.這是圖 3 的縮放。注意關斷期間的高di/dt，并且一些存儲的能量已經到達輸出！此事件破壞了 USB 開關。

圖4顯示，在相同的電路下，較大的輸入旁路電容可提供額外的保護，防止硬短路后的雜散能量。通常，帶有接地層的印刷電路板（PCB）的雜散電感比該測試中使用的測試引線或實驗室中的測試引線要小得多。在實驗室進行測試時，減少測試引線和測試設備的雜散尤其困難。

輸入電感限制峰值電流

圖5顯示，即使輸入引線電感高達1.3μH，該器件也能采用10μF旁路電容。

圖5.該圖顯示了輸入端長引線（1.3μH）以及10μF輸入旁路時的性能。注意輸入電流上升和下降的速度有多慢。該器件也在齊納二極管，因此電流溢出到輸出端（見 I外波形），當輸入電壓超過8V，但開關存活時。

圖5顯示，由于電感較大，輸入電流緩慢上升和下降。這是一個重要的注意事項，表明雖然電感要大得多，但電流不能變化得那么快。由于存儲在電感中的能量是電流的平方，并且只是電感的線性刻度，因此高峰值電流攜帶的能量要多得多。存儲在1.3μH電感中的能量僅為419μJ：

125μJ + 419μJ = 544μJ和10/<> × <>μF × V2= 544μJ

如上所述求解V，V = 10.43V。

雖然該器件確實能承受這種硬短路，但建議使用更大的旁路電容，并將最大電壓限制在數據手冊中規定的絕對最大值以下。

結論

如果不考慮雜散電感中存儲的能量，USB設備可能會受到過壓甚至破壞。圖5顯示輸入電感是峰值電流的限制因素，但圖2顯示電阻是限制因素。可以得出結論，較低的輸入電感可能表現更好。然而，如果不限制電流，低電感情況下的能量也會達到破壞性水平。因此，必須小心謹慎，確保這種情況不會發生。圖2顯示電流受0.1Ω電阻的限制。雖然電感降低后電流會上升得更快，但如果達到電流限制，電感越小，存儲的能量就越少。

在大多數PCB應用中，保護開關下方有一個接地層，輸入和輸出走線，電感應遠低于180nH。接地層上 1/16 英寸寬的 PCB 走線每英寸大約為 10nH。每個應用程序都有自己的情況，這些情況決定了必須部署的輸入旁路的大小。對預期電感的測量和分析可能表明需要更大的旁路來提供可靠性。相反，它可能表明允許減少輸入旁路電容。

審核編輯：郭婷