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手机Type-C口VBUS负压防护方案简介

2025年11月14日

太后遂断戚夫人手足,去眼,煇耳,饮瘖药,使居厕中,命曰“人彘”。居数日,乃召孝惠帝观人彘。孝惠见,问,乃知其戚夫人,乃大哭,因病,岁馀不能起。使人请太后曰:“此非人所为。臣为太后子,终不能治天下”。 —《史记•吕太后本纪》

中国历史对往往女性不待见,但吕后却列在帝王本纪里,可见她曾真正掌握过权力。司马迁用“刚毅果敢”形容她的性格,坦率来说,其残暴事迹是权力对人性长期腐蚀异化的结果,而并非女性天生比男人狠毒。在权力的侵蚀下,男人的心狠手辣亦不遑多让。胡亥矫诏继位,一上位就屠戮兄弟二十余人;李隆基因怀疑儿子造反,一天处死三个儿子;至于朱元璋,为了朱家天下的长久,对昔日的功臣旧部,更是杀的人头滚滚。权力之下,人性沦丧,不分男女,皆可沦为撒旦的使者。

人可以是猴子,贪婪自私、等级森严、残虐族群,也可以以凡人之躯,比肩神明,显现人性光辉,一切只在你的选择。

负压防护背景

有没有想过,如果在Type-C口的VBUS线上施加负压,手机会怎么样呢?

如同中国古代不待见女性,在手机设计上,也不待见负电压,甚至视为洪水猛兽,必欲除之而后快。因为手机电路经过长期的发展,已形成正电压的生态,而负电压潜藏杀机,总结下来大致有如下危害:

  • 负压能击穿半导体器件,芯片的引脚通常有内部的ESD保护二极管,当引脚电压低于GND时,保护二极管会正向导通,如果电流过大,会烧毁这个保护二极管。
  • 负压传导到电源芯片后,有的芯片会进入不可预测的工作状态,从而导致功能模块(如摄像头、显示屏)失效。
  • 除了芯片,某些电子元器件具有极性,如铝电解电容(用在手机充电器内部)、钽电解电容(早期的手机项目有用过)等:施加负压会导致其内部化学结构被破坏,轻则容量减小、漏电流增大,重则鼓包爆炸。

了解危害后,也需要知道这些负电压从何而来:

  • ESD事件,静电放电瞬间产生极高负压(可达数千伏),如雷霆一击。
  • 感性负载的反电动势,手机中带有线圈的部件,如马达、扬声器/听筒。当驱动电流突然关断时,线圈会产生一个反向电动势(负尖峰脉冲),如果缺乏续流二极管等保护措施,这个负脉冲就会窜入供电电源。
  • 热插拔,USB接口等热插拔过程中,由于接触弹跳和线缆/走线寄生电感参数,也可能产生瞬间的负冲,即负向浪涌。
  • VBUS短路,VBUS短路关断瞬间,因线缆寄生电感中存储的能量释放,VBUS上可能会出现负压。

负压防护也叫防反接电路,就像门卫一样防止坏人进入。手机VBUS防护设计包含了负压/负向浪涌防护设计,下面简单讲述下。

二极管负压防护

这是目前手机项目最常使用的方案。二极管向并联在VBUS上,当端口出现负压时,能把负压钳位在-0.7V(二极管导通压降,电流越大,该压降越大)。具体的二极管为TVS管和防烧MOS的体二极管。

有些手机项目为了进一步压制负压,提升负向浪涌能力,会使用肖特基二极管。因其具有更低的正向压降,它可以在其他二极管之前率先导通,压制负压。

下面显示VBUS对地短路时,有肖特基和没有肖特基的波形对比。可见没有肖特基时,VBUS上出现-2V的负压,并存在振荡;而有肖特基时,VBUS上的负压降低到-750mv,振荡也最小化。

 

请想象下,如果人为的给VBUS加一个负压,后果会怎么样呢?

如果你用的电源功率小,过流保护阈值小,那么二极管便会钳位,并让电源过流保护,此时手机不会坏;如果你用的电源功率大,过流保护阈值大,那么有可能烧毁二极管,彻底短路,此时手机便不能正常充电了;而最严重的情况,不带过流保护,那么手机有可能冒烟起火。

PMOS防反接电路

绿厂早期曾在VBUS口用过一颗PMOS来做防反接保护,如下图所示。

当VBUS为正时,PMOS的寄生二极管先导通,二极管导通后VS=VBUS-0.7V;VG=0V,因此VGS为一个负压,PMOS为负压导通器件,故PMOS导通,电路正常工作。

当VBUS为负时,PMOS的寄生二极管截止,VG=0V,VS=0V,VGS=0V,PMOS关断,阻断负压接入系统。

直充电路的防反接电路

如下图,反接时,USB_VCHR(VBUS)将为负压,那么下图中的防反接背靠背MOS将因为VGS>vth而导通,使得直充背靠背MOS的VGS=0,从而关断直充背靠背MOS,阻断负压。

防反接MOS之所以使用背靠背结构,是因为正常工作时要阻断VBUS的电压到达A点。

标签: PMOS VBUS 二极管 肖特基二极管 负压防护 防反接电路
最后更新:2026年1月11日


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夜枭

夜枭,暗夜里的精灵,雅典娜在凡间的使者,不瞩目于明亮的日光,在意的是万物的启迪。

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