优化汽车USB电路防电池短路设计

  汽车制造商继续把信息娱乐系统作为多媒体体验的延伸。 USB接口一直是信息娱乐架构的基本要素，因此制造商已让这种原本以消费者为中心的接口接受更严格的保护要求。这些要求需要防止组装、制造或维护过程中车辆用蓄电池发生短路。例如，若将机头单元连到不同连接模块的长线线束受损，可让所有引脚短路至12V汽车蓄电池。其他潜在的失效机理包括使用不符合要求的适配器、电缆或充电器；USB连接器或电缆的力学扭曲；或任何种类的碎屑进入连接器，并将数据线短接到VBUS。

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