保护汽车USB电路防电池短路故障——第1部分

在由两部分组成系列的第一部分，我将举例说明，防止USB电路受到电池短路故障的最佳途径。在我的下篇博文中，我将扩展优化您的汽车USB防电池短路设计的最佳途径。

当设计USB防电池短路时，始终牢记三个主要方面：

● 保护解决方案的带宽。

● 钳位电压和响应时间的行为。

● 过流和短对地特性。

在过去，不可能找到一个可解决所有三个方面的USB 2.0防电池短路解决方案，但TI新型防电池短路保护设备的TPD3S714-Q1系列可以帮助解决这些常见问题。

带宽

信号完整性是设计工程师在汽车USB应用中遇到的最大挑战之一。由于USB 2.0支持高达480Mbps的数据传输速率，添加到电线的任何少量电容都会扭曲信号，并造成数据传输失败。这会让设计师在寻找解决方案时的任务变得复杂，不仅要防止灵敏电子产品受到高电压和电流尖峰影响，同时要保持最佳的信号完整性。

TPD3S714-Q1是单芯片解决方案用于USB连接器的VBUS和数据线的防电池短路、短路和静电放电（ESD）。集成的数据交换为最小的信号衰减提供了两倍高的带宽，同时提供高达18V的防电池短路保护。图1是插入损耗图，突出采用1GHz-3dB带宽的高速数据交换。

图1：TPD3S714-Q1数据交换差动带宽

您可使用眼图分析线路电容对带宽的影响。测量的最小和最大电压电平以及抖动使得其可能暴露USB数据线传输中的任何问题。高1GHz带宽允许USB 2.0高速应用。高于720MHz带宽的少量裕量也有助于在汽车USB环境中维持一个常见的带长系留索的清晰USB 2.0眼图。图2为USB 2.0眼图的一个示例。

图2：TPD3S714-Q1的USB 2.0眼图

钳位电压和响应时间

尽管选择保护解决方案时，带宽是需记住的最重要的特征之一，但你还必须确保钳位电压足够低，以保护下游电路出现任何电池短路或ESD事件。此外，你应设计具有快速关断时间的过电压场效应晶体管（FET），以迅速保护上游片上系统（SoC）免受有害电压和电流尖峰（SoC）的影响。

防电池短路保护在VBUS、D +和D-引脚防止系统内部电路出现任何过压条件。这些引脚上，TPD3S714-Q1可为热插拔和DC事件处理高达18V的过电压。过电压保护电路提供业内最可靠的防电池短路隔离，帮助提高系统级的保护。图3所示为短路至18V故障期间其5V钳位电压，突出数据通道上200ns的超快响应时间。

图3：TPD3S714-Q1数据转换短路至18V响应波形

过流和短对地

选择一个不良的过电流保护电路会成为产品快速上市的一个障碍。过流事件期间，流经系统侧的显著电流量可能导致上游5V轨掉电或断电，并潜在降低或重置多个连接到共享导轨的集成电路（IC）。过电流保护装置的目的是限制USB端口可汲取的电流量，如在一个短对地情形。此外，USB 2.0规范要求在任何USB供电设计中使用过电流保护装置。

图4描述一个短对地事件，其中系统电压降到小于200mV，保持共享5V轨的稳定，并恰当隔离故障。TPD3S714-Q1集成了一个精确的高达0.5A的电流限制负荷开关，过流事件期间自动限流。内部FET开关阻止过量电流流经上游设备，防止系统侧复位。

图4：TPD3S714-Q1 VBUS短对地响应波形

记住——寻找一个USB 2.0防电池短路解决方案时，始终牢记保护设备的带宽、钳位电压和响应时间，以及过流和短对地特性。考虑到这些关键领域可让原始设备制造商（OEM更容易实现目标并缩短上市时间）。

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其他信息

● 查看具有电池短路保护功能的双端口汽车类 USB 2.0 集线器参考设计。

● 阅读白皮书，“在汽车环境为防电池短路公差的USB。”

● 查看视频，“介绍汽车USB防电池短路的TPD3S714-Q1”。

● 通过TPD3S714-Q1评估模块评估您的汽车USB 2.0防电池短路保护设计。

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