USB 3.0的電路保護方案攻略

最新USB 3.0協(xié)議（或“SuperSpeed USB”）被開發(fā)用于提供更高的數(shù)據(jù)傳輸速率，并通過支持每個端口上的更高電流水平提高供電能力。它包含新的電源管理功能，以及可向后兼容USB 2.0設(shè)備的新電纜和連接器。最顯著的變化是，4條附加的銅數(shù)據(jù)線被平行地增加到現(xiàn)有的USB 2.0總線中（如圖1所示）。這些附加的銅數(shù)據(jù)線被用來傳輸超高速數(shù)據(jù)，但也會傳輸ESD（靜電放電）和其它有害的瞬態(tài)電壓。

　　圖1：修訂后的USB 3.0協(xié)議增加了一條雙單工數(shù)據(jù)通道。

　　USB 3.0增加的電流和供電能力意味著需要新的電路保護方案。經(jīng)過改進的電路保護方法可以幫助保護USB 3.0應(yīng)用免受過流、過壓及ESD瞬態(tài)電壓帶來的損害。

　　USB 3.0的過流保護

　　USB 3.0通過兩個部件提供電源：一個標(biāo)準(zhǔn)的主機（A型連接器）以及一種新型供電設(shè)備（Powered-B連接器）。最新SuperSpeed規(guī)范提高了可供給USB設(shè)備的電流總量（從0.5A提高到0.9A）。新的Powered-B連接器允許一個USB設(shè)備以高達1.0A的電流給另一設(shè)備充電。由于過流狀態(tài)會影響電源總線，所有的電源（如主機、集線器和Powered-B設(shè)備）都必須提供過流保護。過流保護也是UL60950標(biāo)準(zhǔn)所要求的。

　　與USB 2.0類似，所有類型的USB 3.0主機必須提供電源。USB 3.0的單個單元負載重定義為150mA，比USB 2.0的100mA略有增加?，F(xiàn)在，一個USB 3.0主機必須能夠每端口支持多達6個單元（900mA）。此外，USB 3.0集線器可能不再需要總線供電了。所有USB 3.0集線器現(xiàn)在必須每個端口都能夠支持900mA的電流。

　　此外，支持USB充電和USB 3.0的系統(tǒng)需要能承受更高電流的過流保護器件。USB充電器規(guī)范采用與USB 2.0相同的引腳配置，但允許更高的電流（每端口高達1.5A）。

　　最后，USB 3.0定義了一種新的Powered-B連接器，其主要的好處是更好的便攜性。Powered-B連接器允許去除USB電纜和額外的電源。使用Powered-B連接器的USB設(shè)備現(xiàn)在可為另一USB設(shè)備供電。通過提供兩個額外的接插口，新的連接器可使一個電源（帶有Powered-B連接器插座）能向另一設(shè)備（帶B型供電連接器插頭）提供高達1000mA的電流。例如，一臺打印機可給一臺無線適配器供電，從而無需一條有線USB連接。

　　在所有這些應(yīng)用中，高分子聚合物正溫度系數(shù)器件（PPTC）為USB過流保護提供了最具性價比的解決方案。PPTC器件可用于USB 3.0主機應(yīng)用、USB 3.0集線器應(yīng)用、USB充電器應(yīng)用，以及USB 3.0 Powered-B連接器應(yīng)用中的電流限流保護。在USB電源的VBUS端口安裝的PPTC PolySwitch器件可在短路時限流，防止因下游電路突然短路造成的過流損壞，并有助于實現(xiàn)UL60950標(biāo)準(zhǔn)。

USB電源端口上的過壓保護

　　盡管USB定義了電源總線，但這并沒有消除與過壓相關(guān)的風(fēng)險。過壓事件可由一系列失效條件導(dǎo)致，包括用戶錯誤、穩(wěn)壓很差的第三方電源、熱拔出事件和電感瞬變等。接口和充電系統(tǒng)也會產(chǎn)生負電壓，這會導(dǎo)致未受保護的外部設(shè)備受損。盡管USB 2.0 電源的標(biāo)稱誤差為5V±5%，但許多采用USB 2.0接口的大規(guī)模系統(tǒng)仍被設(shè)計成可承受16V甚至28V電壓（連續(xù)）。

　　由于USB 3.0提高了正常工作電流及其上限，因此，針對傳統(tǒng)0.5A 端口設(shè)計的過壓保護器件可能就不太適合用于保護新的每端口0.9A的USB 3.0接口。當(dāng)一個0.9A主機拔出時，高壓感應(yīng)尖峰就會產(chǎn)生，它可能會損壞總線上的其它設(shè)備。一個設(shè)計良好的總線將能吸收這些尖峰電壓，從而保護設(shè)備免受尖峰電壓的損害。

　　泰科電子的內(nèi)部測試顯示，熱插拔引起的瞬態(tài)電壓盡管非常短暫，但電壓值可超過16～24V。內(nèi)部測試還發(fā)現(xiàn)，開路電壓大幅超過USB規(guī)范要求（5V±5%）的第三方充電器，可能對