USB 3.0 電路保護

　　摘要：USB 3.0接口設備集合了通信速度為5Gbps的四個額外的數(shù)據(jù)通道，而且電源總線也有著高達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，使得預防電氣瞬變和過流故障也變 得更重要復雜。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元件選擇中的關鍵指標。

　　USB 3.0接口設備集合了通信速度為5Gbps的四個額外的數(shù)據(jù)通道，而且電源總線也有著高達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，使得預防電氣瞬變和過流故障也變得更重要復雜。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)的可靠性都應該是系統(tǒng)設計人員非常關注的事情。寄生電容，低鉗位電壓和低電阻成為電路保護元件選擇中的關鍵指標。由于電源線可用允許更大的電流通過，電流保護器可以有較低的電阻在確保低壓降方面也變得至關重要。一項成功設計的關鍵是要明白關鍵選擇標準和保護技術(PTC電阻，壓敏電阻，聚合物和硅為原料的設備)之間的優(yōu)化權衡。本應用筆記詳細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)標準是一套電子系統(tǒng)之間高速有線通信的接口規(guī)范。USB 3.0標準規(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的兩個差分數(shù)據(jù)的引進，并且他們保持著和現(xiàn)有的D-/ D+數(shù)據(jù)總線并列運行。這允許了數(shù)據(jù)全雙工同時傳輸，而USB 2.0總線只能單個雙工傳輸。

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

　　USB 3.0電路保護所面臨的挑戰(zhàn)

　　前幾代USB使用的ESD靜電保護以不足以保護USB 3.0，因為USB 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。設計師們面臨的挑戰(zhàn)是要找到電壓瞬態(tài)保護更好的解決方案，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。

　　引進的額外的差分數(shù)據(jù)對需要更多的數(shù)據(jù)線得到防靜電保護，過去分離器件的保護解決方案是保護每個單獨的數(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)對中的新半導體陣列ESD保護裝置，不僅保護了傳統(tǒng)的USB 2.0數(shù)據(jù)線，而且也保護了這些額外的數(shù)據(jù)信號對。

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

　　按照UL60950-1標準的一些要求，可能還需要過電流保護。

　　過電流保護

　　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，當在IC不包括含電流限制功能或附加的保護是必需時，電路設計人員必須為電源總線設計電流限制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。它也可以幫助實現(xiàn)UL60950-1標準中第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。

　　相關的USB集線器應用程序和USB 3.0的過電流保護規(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定值時，過電流保護電路可以消除或減少所受影響的下行端口的功率。預設值不能超過5.0A，而且必須足夠大于所允許的最大端口電流或時間延遲的瞬態(tài)電流(例如，開機，動態(tài)連接或重新配置時)可以受到過電流保護?！　?/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端口中聯(lián)動的配置的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端口保護時，需要考慮幾個關鍵參數(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?！　?/p>