防止汽車USB電路電池短路故障――第1部分

汽車制造商繼續(xù)把信息娛樂系統(tǒng)作為多媒體體驗的延伸。 USB接口一直是信息娛樂架構的基本要素，因此制造商已讓這種原本以消費者為中心的接口接受更嚴格的保護要求。其中需要防止組裝、制造或維護過程中車輛用蓄電池發(fā)生短路。例如，當將機頭單元連到不同連接模塊的長線線束受損，可讓所有引腳短路至12V汽車蓄電池。其他潛在的失效機理包括使用不符合要求的適配器、電纜或充電器;USB連接器或電纜的力學扭曲;或任何進入連接器，并將數(shù)據(jù)線短接到VBUS的碎屑。

在由兩部分組成的系列的第一部分，我將舉例說明，防止USB電路電池短路故障的最佳途徑。在我的下篇博文中，我將延伸說明優(yōu)化您的汽車USB防電池短路設計的最佳途徑。

當設計防電池短路USB 時，始終牢記三個主要方面：

· 保護解決方案的帶寬。

· 鉗位電壓和響應時間行為。

· 過流和短對地特性。

過去，不可能找到一個可解決所有三個方面的USB 2.0防電池短路解決方案，但TI新型防電池短路保護設備的TPD3S714-Q1系列可以幫助解決這些常見問題。

帶寬

信號完整性是設計工程師在汽車USB應用中遇到的最大挑戰(zhàn)之一。由于USB 2.0支持高達480Mbps的數(shù)據(jù)傳輸速率，添加到電線的任何少量電容都會扭曲信號，造成數(shù)據(jù)傳輸失敗。這會讓設計師在尋找解決方案時的任務變得復雜，不僅要防止靈敏電子產(chǎn)品受到高電壓和電流尖峰影響，同時要保持最佳的信號完整性。

TPD3S714-Q1是用于USB連接器的VBUS和數(shù)據(jù)線防電池短路、短路和靜電放電(ESD)的單芯片解決方案。集成的數(shù)據(jù)交換為最小的信號衰減提供了兩倍高的帶寬，同時提供高達18V的防電池短路保護。圖1是插入損耗圖，突出采用1GHz-3dB帶寬的高速數(shù)據(jù)交換。

圖1：TPD3S714-Q1數(shù)據(jù)交換差動帶寬

您可使用眼圖分析線路電容對帶寬的影響。測量最小和最大電壓電平以及抖動可能暴露USB數(shù)據(jù)線傳輸中的任何問題。高1GHz帶寬允許USB 2.0高速應用。高于720MHz帶寬的少量裕量也有助于在汽車USB環(huán)境中維持常見的帶長系留索的清晰USB 2.0眼圖。圖2為USB 2.0眼圖的一個示例。

圖2：TPD3S714-Q1的USB 2.0眼圖

鉗位電壓和響應時間

盡管選擇保護解決方案時，帶寬是需記住的最重要的特征之一，但您還必須確保鉗位電壓足夠低，以保護下游電路出現(xiàn)任何電池短路或ESD事件。此外，您應設計具有快速關斷時間的過電壓場效應晶體管(FET)，以迅速保護上游片上系統(tǒng)(SoC)免受有害電壓和電流尖峰(SoC)的影響。

防電池短路保護將系統(tǒng)內部電路與在VBUS、D +和D-引腳處出現(xiàn)的任何過壓條件隔離開。這些引腳上，TPD3S714-Q1可為熱插拔和DC事件處理高達18V的過電壓。過壓保護電路提供業(yè)內最可靠的防電池短路隔離，幫助提高系統(tǒng)級的保護。圖3所示為短路至18V故障期間其5V鉗位電壓，強調了數(shù)據(jù)通道上200ns的超快響應時間。

圖3：TPD3S714-Q1數(shù)據(jù)轉換短路至18V響應波形

過流和短對地

選擇不良的過電流保護電路會障礙產(chǎn)品快速上市。過流事件期間，流經(jīng)系統(tǒng)側的顯著電流量可能導致上游5V軌掉電或斷電，并潛在降低或重置多個連接到共享導軌的集成電路(IC)。過電流保護裝置的目的是限制比如一個短對地的情形下USB端口可汲取的電流量。此外，USB 2.0規(guī)范要求在任何USB供電設計中使用過電流保護裝置。

圖4描述一個系統(tǒng)電壓降到小于200mV的短對地事件，保持共享5V軌的穩(wěn)定，并恰當隔離故障。TPD3S714-Q1集成了一個精確的高達0.5A的電流限制負荷開關，自動限制過流事件期間的電流。內部FET開關阻止過量電流流經(jīng)上游設備，防止系統(tǒng)側復位。

圖4：TPD3S714-Q1 VBUS短對地響應波形

記住——尋找一個USB 2.0防電池短路解決方案時，始終牢記保護設備的帶寬、鉗位電壓和響應時間，以及過流和短對地特性。考慮到這些關鍵領域可讓原始設備制造商OEM更容易實現(xiàn)目標并縮短上市時間。