电源保护开关能提高可靠性并减少零件的数量电源保护开关可以整合许多的检测和保护功能,能够提高性能并减小零件的数量。图5中对常用的硅电源开关与Raychem的PowerSwitch进行比较。

图5.常用电源开关导入过程与保护电源开关导入过程的对比.
在常用的电源开关实施方案中,电容器和电阻器被用于在故障旗标信号中产生时间延迟,而Raychem的PowerSwitch内置了这一特性,并且避免了在电路板上另外设置电路。故障旗标延迟能够防止冲击电流导致埠端发生误动作,并使所连接的设备能够开始正常运作。为了进一步减少外部零件的数量,Raychem的PowerSwitch分别为启动引线和标志引线(FLGA和FLGB)集成了上拉和下拉电阻器。
Raychem的PowerSwitch将故障标志输出信号设置在CMOS级。这一点对于低成本实现方案来说是非常关键的,因为低成本方案中的一些控制器无法支援5V的输入信号。通过提供对CMOS级输出信号的支援,便不再需要外部分压网路。
Raychem的PowerSwitch也利于对于单独埠的保护,改善了客户的使用满意度。在检测到真正的过电流状态时,出现故障的埠端关闭,而其余的埠不受影响。图6说明了对于单独埠的保护实现过程,图中将1Ω的负载连接到通道A上来模拟5A的过电流状态,同时将185mA的连续负载电流施加于通道B上来类比正常的设备工作状态。

图6.单独的过电流/过热保护协调
PowerSwitch电源开关元件检测到了通道A的故障,并开始限制电流。而只有在通道A,PowerSwitch将真正地开始ON/OFF循环週期直至故障现象消失。而通道B上的连续电流处于技术规范之内,其工作保持不受影响。
这项单独埠的保护功能也影响到了功率消耗量,并允许限制点处于最低值以减少故障状态下功率的消耗。由于每个埠端均进行独立性保护,最大预计电流在500mA或以下,这与多埠共用保护方式的差异是相当大的,多埠方式是以1A的连续电流用1个通道保护2个埠。
对于小功率应用而言,具备能使某个埠运作或停止运作的功能是很重要的特性。在故障状态下,硅元件将进入电流限制模式,以防止出现极大的电流实波和电压降,但是仍能允许较大电流流经埠。如果这一埠不能禁用,则硅元件将真正进入一个过热循环週期。热循环週期能够降低总功率的消耗,但每个通道的功率仍将超过1W。如图6所示,在保护电源开关通道A能够由控制器关断的情况下,能够使一个埠的电流消耗下降到10μA的水平。
在USB的设计中,另一项重要的考虑因素是随着电压的下降,电阻值也会下降。随着供电电压的下降,电压降问题显得更加突出。一般来说,电压下降将导致电源开关的导通电阻增加,这是一种不期望的特性。但Raychem的PowerSwitch元件的电阻却能够随着供电电压的下降而下降,因而避免这不利特性。如图7所示,在匯流排电压较高时,PowerSwitch能够减少输出电流值,提升电源的效率和电池的使用寿命。在匯流排电压较低时,PowerSwitch两端的电压降也会降低,这样USB功能就能继续工作一段更长的时间。

图7. 採用PowerSwitch元件后,其电阻值随着输入电压的下降而下降
在故障状态下的自復式电流限制功能有助于防止电路损坏、系统的压降与週边系统故障,并有助系统满足UL的安全标准。PPTC元件是一种成本较低的电流限制解决方案,适用于桌上型电脑、膝上型电脑和自备电源集线器。採用PPTC元件可对单个USB埠提供保护功能,并能节省更多能量,增强整个系统的可靠性。
在匯流排供电的集线器、双模式的集线器以及低功率主机中,PowerSwitch元件是最为常用的解决方案。这种元件还可用于USB设备中作为冲击电流限制元件。PowerSwitch元件内置了包括电源开关功能的电流限制功能,提供较低的导通电阻和快速的电流限制特性。这些特性均有其应用在功率有限的主机中。在这种主机中加入电源开关功能,就可以通过关闭出现故障的埠端来作最大限度地节省能量。
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