如何保护EPOS处理器在9V USB充电条件下不发生短路

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便携式电子销售点终端(EPOS)设备在全球范围内日益普及。与传统桌面设备不同,便携式 EPOS设备的电池寿命有限,而且需要频繁地通过 USD接口或其它连接设备进行充电。随着便携电子产品市场上快速充电技术的发展,便携式 EPOS设备很可能也会采用这种功能。因为便携式设备开始使用较大的电池,要想实现快速充电,实现快速充电就需要能够提供更多电能的充电适配器。各厂家都提出了相应的措施,但每种措施都需要较高的电源输入电压。提高输入电压可以使更多的电能进入系统,实现快速充电,而不会使电流超过接线柱负载能力极限。

适配器电压默认设置为通常的5V(USB VBUS)级别,但外部适配器和移动设备间D+/D-数据线上的信号传递可以根据需要协议使适配器输出更高的电压。根据适配器容量的不同,典型值包括5、9、12或20V输出级。系统中的充电集成电路(IC)或应用处理器控制该信号传递,使适配器输出合适的电压级别。 通常,当插入USB连接器时,您需要使用一个模拟开关在微控制器[MCU])和电池充电器间传输电能,如图1所示配备MaxCharge技术的bq25890快速充电器。首次连接时,MCU便对D+/D-进行控制。其将检测对象是转接头还是USB连接装置。
 

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图1:使用USB和充电器应用的典型应用图


根据所连接设备的不同,通过USB连接器的信号可能被发送到不同的目的地。这就需要USB开关正确地发送信号。这种情况下,可使用任何匹配该设计带宽、配置和电压范围的USB开关。TI提供多种USB开关,其在配置、电压范围、导通电阻(RON)和带宽方面有着广泛的选择范围。
应用处理器无法容许高电压。由于快速充电通常在9V电压下操作,而MCU无法容许9V电压,因此,必须始终避免让MCU接触该电压。
USB连接器插座有四个引脚,如图2所示从右到左分别为VBUS、D-、D+和GND。协议快速充电状态后,VBUS的电压将为9V。
 

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图2:USB开关和引脚描述


当VBUS电压达到9V时,若USB插头未插好或以一定角度拔出可能导致连接器的VBUS引脚与D-引脚发生短路。这便会导致连接D-引脚的MCU暴露于VBUS,从而损坏MCU,如图3所示。
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图3:9V 电压条件下未使用TS3USB3000发生短路的后果。


TS3USB3000 USB开关可以在9V电压条件下保护MCU,同时实现MCU与充电器/通用异步接收器/发送器(UART)之间的切换,如图4所示。将充电器连接至USB端口后,MCU将检测所连接的充电器并将输出使能(OE)引脚拉高至禁用开关的高度。MCU将与充电器进行通信,表示其可以与VBUS协议在9V电压下采用更快的充电模式,亦如图4所示。TS3USB3000现处于低功率状态,开关已禁用并可以对MCU进行保护。
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图4:TS3USB3000可以在发生短路时,保护9V电压条件下的MCU

TS3USB3000开关有两个用途:在主机和充电器之间的切换,以及在5-9 V电压条件下对 MCU的保护。对于第一种用途,你可以使用任何 USB开关,取决于你需要多少带宽和 RON类型。但是,对于第二种用途,需要有TS3USB3000等专用 USB开关来为 MCU提供短路保护。TS3USB3000能够为需要在9 V电压下操作的设计实现这两项用途。该设备可方便地实现主机与 MCU之间的切换,并能在插拔 USB连接器时使 VBUS与D-管脚短路,从而保护 MCU。