帶電插拔過程的USB電流過沖問題分析

為USB端口產生5V電源時，該電路能夠抑制USB連接器熱插拔過程中的峰值浪涌電流，并根據端口需要將工作電流限制在500mA以內。

類似的設計思路于2009年8月17日發表在EE Times雜志。

將一個簡單的錄音筆或其它外設插入USB端口時，可能導致不希望發生的系統復位。此時需要在端口前端提供一個限流器，在插拔端口時提供短路和過載保護。

這種接口的一個特征是需要給各種需要連接的外設供電，例如：錄音筆、小型硬盤、調制解調器、MP3讀取器、存儲器卡等。服務器板提供12V主電源供電，有些應用中包含一個buck轉換器，將該電壓降至3.3V，用于邏輯電路供電。還需要一個升壓電路，把3.3V電壓提升到標準的USB端口電壓(5V，可提供500mA電流)。

帶電插入外設時可能引發一些問題：瞬間在端口的5V引腳插入一個不是純電阻的負載，由于存在容性元件，會產生快速、大幅度的電流，使得USB端口的電流遠遠超出500mA。

把一個大功率的硬盤連接到端口時同樣會發生類似問題，此時的容性負載不再是主要問題，硬盤的標稱工作電流可能超出500mA，這是引起系統復位或電源進入保護狀態的關鍵原因。為了抑制浪涌電流，把最大輸出電流限制在500mA以內，我們需要在5V電源和端口的VOUT引腳之間增加保護電路。

負載接入時，由于保護器件不能在瞬間實現限流(電路沒有達到故障電流限制或發生自激)，帶電插拔后會出現一段短暫的盲區，使系統建立穩定。在此期間電源必須能夠承受浪涌電流的沖擊。降壓轉換器由于利用ILIMIT電阻對IOUT進行檢測，能夠處理一定的浪涌，電流環路將IOUT保持在電阻設置的門限以內。升壓轉換器則不具備這一功能。

升壓轉換器的電感在VIN和負載之間提供了一個連續通道，當電源不能為負載提供足夠的電流時，開始為升壓轉換器的電壓源充電。有些情況下，可能造成監控電路觸發系統復位，導致圖1所示的系統失效。

圖1. 在為USB端口產生5V電源的同時，該電路能夠抑制USB連接器熱插拔過程中的峰值浪涌電流，并根據端口需要將工作電流限制在500mA以內。

對5V boost電路進行簡單修改可以解決這一問題：在boost轉換器輸出和反饋電阻分壓器之間插入一個小電阻(大約0.5Ω)。由于5V轉換器補償該電阻兩端的壓差，作用在IOUT限制器(MAX8586)的電壓與5V負載電流無關。這一電路改動能夠在帶電插入錄音筆等低電容負載(1μF)時避免出現較高的尖峰電流，這種尖峰電流會導致boost轉換器，然后是3.3V總線過載而復位系統。0.5Ω電阻不僅在系統處于“盲區”期間將峰值電流限制在合理范圍內，還能夠將IOUT的最大值限制在500mA，滿足USB端口的要求。

審核編輯：黃飛