USB 设备带电热插拔

1、 故障现象　　

　　在使用CH375 评估板的过程中，或者在自行设计的USB-HOST 产品中，某些USB 设备带电插入时：

① 导致CH375 复位或者单片机复位(尤其是采用μP 监控电路的单片机系统)。

② CH375 或者单片机突然工作不正常，失去控制。

③ CH375 芯片的工作电流突然增大并且持续如此，时间长了芯片发热烫手甚至芯片损坏。

2、USB 支持动态带电插拔，以CH375 评估板使用U 盘为例。由于U 盘内部都有电源退耦电容，当U 盘刚插入USB-HOST 插座时，评估板必然要对其充电，由于瞬间充电电流很大(微秒级瞬间峰值可达几安培)，所以导致主机端的电源电压VCC突降(用高速的数字存储示波器可以看出，越靠近USB插座的位置，电源电压降得越严重)，这个电压突降过程可能只有几十微秒甚至几百纳秒，但是一旦被CH375或者uP监控电路检测到，就会被当作电源上电或者电源下电，从而有可能导致CH375和单片机被复位。并且，由于U盘插入过程引起的电压突降是一种不确定的瞬时状态，例如几十纳秒的电压突降，所以有可能使CH375或者单片机不完全复位，从而工作不正常。

　　另外，由于CH375 的V3 引脚接有电容，在U 盘插入过程中，如果CH375 的VCC 引脚的电源电压突降到2.5V 以下，而CH375 的V3 引脚被其外接电容保持在3.5V 以上，出现CH375 的普通引脚电压超过电源引脚VCC 的特殊情况，那么将容易导致CMOS 电路CH375 出现大电流闩锁，芯片发热，长时间还会损坏。如果CH375 的V3 引脚不接电容，则不会出现大电流，V3 引脚的电容用于内部电源节点退耦，改善USB 传输过程中的EMI，通常容量是在4700pF 到0.1uF 范围，建议容量为0.01uF，即103 电容。

　　由于有些USB设备内部的电源退耦电容较小，或者内部串有限流电阻或者电感，所以只有少数峰值电流较大的USB 设备会在某些条件下出现上述现象，而且这种情形还与PCB 中USB 电源线的布线有关。

　　还有一种意外情况(不是设计原因)就是，USB 插座或USB 线损坏或者焊接原因导致USB信号线D+或D-与VCC 之间短路、USB 信号线D-与GND 之间短路，这种情况会引起CH375 芯片发热甚至损坏。

3、 解决方法(以下几种任选一种，或者多种并用更加可靠)

    最核心的一句话就是：在USB 设备插拔的过程中，确保CH375 和单片机的电源电压保持不变。

　　1) 给USB 插座单独供电，使USB 设备刚插上时的电容充电过程不影响单片机和CH375。

　　变通方法是，将5V 主电源分别通过两个独立的限流电感后(或者在PCB 中电源线分开走)，一组提供给CH375和单片机等，另一组提供给USB 插座。注意，在电感后面应该有退耦电容或者负载，防止USB设备拔出时由电感产生过冲高电压。这种方法更适合连接消耗电流较大的USB外置硬盘。

　　2) 在USB 插座前串接限流电阻或电感，并在USB插座电源上并联储能用的电解电容。

　　例如，在CH375评估板的原理图中，电容C23用于储能，电阻R1 用于限制USB设备刚插入时的瞬时电流，由于一般U 盘的正常工作电流只有几十毫安，所以串接几欧姆的电阻对其影响不大，建议电阻值在1Ω到10Ω之间，阻值大些更安全，但是要确保USB 设备正常工作时的电源电压大于4.5V。如果用电感也可以限制电流突变，防止电源电压突降，但是用电感在USB 设备拔出后，容易在USB 插座中产生过冲高压，所以需要接储能电容。(注意，在第一版CH375 评估板的原理图中已经标出USB 插座的限流电阻R1为1Ω，建议将其换为阻值5Ω的电阻或者保险电阻)

　　3) 参考目前计算机的解决方法：USB端口的电源供给是通过保险电阻或限流电感提供的，这些能够限制瞬时电流。

　　对于计算机前面板的USB 端口，由于本身通过一段较长的连接线，自然减弱了对主电源的影响，而且计算机的5V 电源功率很大，连续供电电流都在20A 以上，所以不易受影响。