如何防止汽車USB電路電池短路故障

USB接口一直是信息娛樂架構(gòu)的基本要素，因此制造商已讓這種原本以消費(fèi)者為中心的接口接受更嚴(yán)格的保護(hù)要求。汽車制造商繼續(xù)把信息娛樂系統(tǒng)作為多媒體體驗(yàn)的延伸。其中需要防止組裝、制造或維護(hù)過程中車輛用蓄電池發(fā)生短路。例如，當(dāng)將機(jī)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(jī)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(xué)扭曲;或任何進(jìn)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(shè)計(jì)的最佳途徑。

當(dāng)設(shè)計(jì)防電池短路USB 時(shí)，始終牢記三個(gè)主要方面：

• 保護(hù)解決方案的帶寬。

• 鉗位電壓和響應(yīng)時(shí)間行為。

• 過流和短對(duì)地特性。

過去，不可能找到一個(gè)可解決所有三個(gè)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(hù)設(shè)備的TPD3S714-Q1系列可以幫助解決這些常見問題。

帶寬

信號(hào)完整性是設(shè)計(jì)工程師在汽車USB應(yīng)用中遇到的最大挑戰(zhàn)之一。由于USB 2.0支持高達(dá)480Mbps的數(shù)據(jù)傳輸速率，添加到電線的任何少量電容都會(huì)扭曲信號(hào)，造成數(shù)據(jù)傳輸失敗。這會(huì)讓設(shè)計(jì)師在尋找解決方案時(shí)的任務(wù)變得復(fù)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(shí)要保持最佳的信號(hào)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(hào)衰減提供了兩倍高的帶寬，同時(shí)提供高達(dá)18V的防電池短路保護(hù)。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(dòng)帶寬

您可使用眼圖分析線路電容對(duì)帶寬的影響。測量最小和最大電壓電平以及抖動(dòng)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(yīng)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(gè)示例。

圖2：TPD3S714-Q1的USB 2.0眼圖

鉗位電壓和響應(yīng)時(shí)間

盡管選擇保護(hù)解決方案時(shí)，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(hù)下游電路出現(xiàn)任何電池短路或ESD事件。此外，您應(yīng)設(shè)計(jì)具有快速關(guān)斷時(shí)間的過電壓場效應(yīng)晶體管(FET)，以迅速保護(hù)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(hù)將系統(tǒng)內(nèi)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(dá)18V的過電壓。過壓保護(hù)電路提供業(yè)內(nèi)最可靠的防電池短路隔離，幫助提高系統(tǒng)級(jí)的保護(hù)。圖3所示為短路至18V故障期間其5V鉗位電壓，強(qiáng)調(diào)了數(shù)據(jù)通道上200ns的超快響應(yīng)時(shí)間。

圖3：TPD3S714-Q1數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換短路至18V響應(yīng)波形

過流和短對(duì)地

選擇不良的過電流保護(hù)電路會(huì)障礙產(chǎn)品快速上市。過流事件期間，流經(jīng)系統(tǒng)側(cè)的顯著電流量可能導(dǎo)致上游5V軌掉電或斷電，并潛在降低或重置多個(gè)連接到共享導(dǎo)軌的集成電路(IC)。過電流保護(hù)裝置的目的是限制比如一個(gè)短對(duì)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(shè)計(jì)中使用過電流保護(hù)裝置。

圖4描述一個(gè)系統(tǒng)電壓降到小于200mV的短對(duì)地事件，保持共享5V軌的穩(wěn)定，并恰當(dāng)隔離故障。TPD3S714-Q1集成了一個(gè)精確的高達(dá)0.5A的電流限制負(fù)荷開關(guān)，自動(dòng)限制過流事件期間的電流。內(nèi)部FET開關(guān)阻止過量電流流經(jīng)上游設(shè)備，防止系統(tǒng)側(cè)復(fù)位。

圖4：TPD3S714-Q1 VBUS短對(duì)地響應(yīng)波形

記住——尋找一個(gè)USB 2.0防電池短路解決方案時(shí)，始終牢記保護(hù)設(shè)備的帶寬、鉗位電壓和響應(yīng)時(shí)間，以及過流和短對(duì)地特性。考慮到這些關(guān)鍵領(lǐng)域可讓原始設(shè)備制造商OEM更容易實(shí)現(xiàn)目標(biāo)并縮短上市時(shí)間。