Wie Sie mit koordinierten ESD- und Überstromschutz-Strategien Schäden an USB-Ladesystemen vermeiden

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Je höher der Strom, umso größer das Risiko

Obwohl eine Stromversorgung über USB schon seit einiger Zeit üblich ist, vergrößert sich mit dem neuen Standard USB 3.0 die zulässige Stromentnahme erheblich bis zu einem maximalen Nennstrom von 1,5A (im Vergleich zu 0,5 A bei USB 1.0 und 2.0). Anwendungen mit höherem Versorgungsstrom erfordern einen robusteren und zuverlässigeren Schaltungsschutz, um Schäden durch Überspannungs-Transienten und Überstrombedingungen zu vermeiden.

Ein ESD-Baustein soll schnell reagieren und sich rasch wieder erholen

Überspannungs-Transienten sind im Allgemeinen eine Folge von elektrostatischen Entladungen und können sowohl auf Stromversorgungs- wie auch auf Datenleitungen auftreten. Selbst wenn moderne ICs einen Schutz für bis zu 2000V enthalten, kann der menschliche Körper problemlos statische Ladungen bis zu einer Spannung von 23 kV aufbauen. Bei Anwendungen zum Schutz von I/O-Ports wird neben der sehr geringen Kapazität des ESD-Bausteins auch eine schnelle Spannungsbegrenzung und kurze Erholzeiten von dem Datenbus gefordert.

Schaltungsschutz verarbeitet Einschalt-Stromstöße und begrenzt Fehlerströme

Auf einem Stromversorgungs-Bus können außerdem Überstrom-Zustände auftreten. Hier erfordert der Schaltungsschutz eine zuverlässige Verarbeitung von Einschalt-Stromstößen (bis zu 1,5A pro Port für Ladevorgänge über USB) sowie eine Begrenzung von Fehlerströmen kleiner 5A über 60s bei Fehlfunktionen (UL 60950, Tabelle 2C).

Schutzmaßnahmen bei dedizierten USB-Ladegeräten

Bild 1: Überstrom-Schutzkonzept für ein dediziertes USB-Ladegerät (Archiv: Vogel Business Media)

Wenn ein portables Gerät an ein dediziertes Ladegerät angeschlossen ist und einen Kurzschluss zwischen D+ und D- erkennt, dann begrenzt das Gerät den maximalen Ladestrom auf 1,5A. Der dedizierte Lader gibt als reines Ladegerät über den USB-Stecker nur die Versorgungsspannung ab; er enthält keine Funktionen für die Datenkommunikation. Ein PPTC-Baustein (Polymeric Positive Temperature Coefficient) am Anschluss VBUS kann Überstrom-Schäden verhindern, die von einem plötzlichen Kurzschluss hinter dem Ladegerät (d.h. auf der Geräteseite) verursacht wurden (Bild 1).

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