USB 3.0 電路保護(hù)

　　摘要：USB 3.0接口設(shè)備集合了通信速度為5Gbps的四個(gè)額外的數(shù)據(jù)通道，而且電源總線也有著高達(dá)900mA的最大輸出電流。這些新的USB 3.0規(guī)格加上集成芯片幾何 尺寸的不斷縮小，使得預(yù)防電氣瞬變和過流故障也變 得更重要復(fù)雜。即使是很小的靜電放電(ESD)和短路事故帶來的危害也相比更大。寄生電容， 低鉗位電壓和低電阻成為電路保護(hù)元件選擇中的關(guān)鍵指標(biāo)。

　　USB 3.0接口設(shè)備集合了通信速度為5Gbps的四個(gè)額外的數(shù)據(jù)通道，而且電源總線也有著高達(dá)900mA的最大輸出電流。這些新的USB 3.0規(guī)格加上集成芯片幾何尺寸的不斷縮小，使得預(yù)防電氣瞬變和過流故障也變得更重要復(fù)雜。即使是很小的靜電放電(ESD)和短路事故帶來的危害也相比更大。

　　更強(qiáng)的生產(chǎn)能力，更敏銳的芯片靈敏度，以及信號完整性和系統(tǒng)的可靠性都應(yīng)該是系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員非常關(guān)注的事情。寄生電容，低鉗位電壓和低電阻成為電路保護(hù)元件選擇中的關(guān)鍵指標(biāo)。由于電源線可用允許更大的電流通過，電流保護(hù)器可以有較低的電阻在確保低壓降方面也變得至關(guān)重要。一項(xiàng)成功設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是要明白關(guān)鍵選擇標(biāo)準(zhǔn)和保護(hù)技術(shù)(PTC電阻，壓敏電阻，聚合物和硅為原料的設(shè)備)之間的優(yōu)化權(quán)衡。本應(yīng)用筆記詳細(xì)解釋了需要考慮的因素和問題。

　　USB 3.0 的工作特性

　　通用串行總線(USB)標(biāo)準(zhǔn)是一套電子系統(tǒng)之間高速有線通信的接口規(guī)范。USB 3.0標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了數(shù)據(jù)傳輸速度的提高，輸出功率的增加并保持和USB 2.0設(shè)備向后兼容。

　　從USB 2.0到USB 3.0最重要的物理變化是稱為SSRX+ / SSRX和SSTx+ / SSTx的兩個(gè)差分?jǐn)?shù)據(jù)的引進(jìn)，并且他們保持著和現(xiàn)有的D-/ D+數(shù)據(jù)總線并列運(yùn)行。這允許了數(shù)據(jù)全雙工同時(shí)傳輸，而USB 2.0總線只能單個(gè)雙工傳輸。

　　USB3.0還包括把電源總線上的電流從500mA增加到900mA，這樣也就擴(kuò)大了為外部設(shè)備供電的選擇余地，不再需要額外的電源了。

　　USB 3.0電路保護(hù)所面臨的挑戰(zhàn)

　　前幾代USB使用的ESD靜電保護(hù)以不足以保護(hù)USB 3.0，因?yàn)閁SB 3.0的數(shù)據(jù)傳輸速率已升至5Gbps和通道電容為支持新的數(shù)據(jù)傳輸速率也下降了。設(shè)計(jì)師們面臨的挑戰(zhàn)是要找到電壓瞬態(tài)保護(hù)更好的解決方案，使敏感數(shù)據(jù)線在沒有增加信號畸變電容的情況下也能得以保護(hù)。

　　引進(jìn)的額外的差分?jǐn)?shù)據(jù)對需要更多的數(shù)據(jù)線得到防靜電保護(hù)，過去分離器件的保護(hù)解決方案是保護(hù)每個(gè)單獨(dú)的數(shù)據(jù)線，這可能不是理想的解決方案了。直接放在數(shù)據(jù)對中的新半導(dǎo)體陣列ESD保護(hù)裝置，不僅保護(hù)了傳統(tǒng)的USB 2.0數(shù)據(jù)線，而且也保護(hù)了這些額外的數(shù)據(jù)信號對。

　　對于過電流保護(hù)，USB3.0規(guī)范第11.4.1.1.1規(guī)定：(1)為了安全起見，主機(jī)和所有自供電集線器必須實(shí)現(xiàn)過電流保護(hù)，該集線器必須具有一種方法來檢測過電流情況，并將其報(bào)告至USB軟件。(2)過電流限制機(jī)制必須在無需用戶干預(yù)的前提下自行復(fù)位。聚合物PTC和固態(tài)開關(guān)就是可以用于過電流限制的方法。

　　按照UL60950-1標(biāo)準(zhǔn)的一些要求，可能還需要過電流保護(hù)。

　　過電流保護(hù)

　　USB總線收發(fā)器IC(集成電路)或電源管理IC可有一些電流限制功能，但是，當(dāng)在IC不包括含電流限制功能或附加的保護(hù)是必需時(shí)，電路設(shè)計(jì)人員必須為電源總線設(shè)計(jì)電流限制PTC。

　　在電源總線上(參見圖7)安裝的聚合物PTC器件可以在短路的情況下限制電流，并防止由突然的短路引起的過電流損壞。它也可以幫助實(shí)現(xiàn)UL60950-1標(biāo)準(zhǔn)中第2.5節(jié)(有限電源，表2B)的規(guī)定，其中規(guī)定必須限制短路電流在5秒內(nèi)小于8A。

　　相關(guān)的USB集線器應(yīng)用程序和USB 3.0的過電流保護(hù)規(guī)范如11.4.1.1.1條中陳述：如果下行端口的總電流超過預(yù)定值時(shí)，過電流保護(hù)電路可以消除或減少所受影響的下行端口的功率。預(yù)設(shè)值不能超過5.0A，而且必須足夠大于所允許的最大端口電流或時(shí)間延遲的瞬態(tài)電流(例如，開機(jī)，動(dòng)態(tài)連接或重新配置時(shí))可以受到過電流保護(hù)?！　?/p>

 

　　圖2示出了用于多端口集線器配置的PTC解決方案。對于單端口配置，見圖7和圖8本文檔中的其他地方。

　　圖3顯示了推薦的單一端口和兩個(gè)端口中聯(lián)動(dòng)的配置的PTC器件。我們還確定了新USB電池充電規(guī)范1.2版的PTC的解決方案。

　　在選擇PTC為作為USB端口保護(hù)時(shí)，需要考慮幾個(gè)關(guān)鍵參數(shù)：(1)目前最大端口(USB 3.0為900毫安);(2)PTC位置的工作溫度;(3)觸發(fā)速度;(4)直流電阻。