采用USB 3.0的過電流保護(hù)解決方案

為因應(yīng)各種不同外圍設(shè)備的需求，USB3.0除了提升速度外，也提高電力供應(yīng)的要求。本文先針對(duì)業(yè)界常用的過電流保護(hù)組件高分子正溫度系數(shù)熱敏電阻(PPTC)做介紹，并于在USB 3.0的應(yīng)用下比較與低電壓半導(dǎo)體開關(guān)的差別。

此外，文中也將說明USB 3.0與USB 2.0的差異，提出USB 3.0過電流保護(hù) PPTC 組件應(yīng)用建議，并以新一代薄型低電阻表面粘著PPTC組件為例說明新的導(dǎo)體材料開發(fā)進(jìn)程，透過運(yùn)用新材料，可為當(dāng)前的超薄型電子產(chǎn)品提供良好過電流保護(hù)。

由于電子產(chǎn)品對(duì)速度、功率的要求不斷提高，自去年11月USB 3.0規(guī)格底定后，除了速度提升至5Gbps外，對(duì)電力供應(yīng)的要求也從500mA提高到900mA。不管是在系統(tǒng)端或是組件端，新的速度和功率都帶來了全新挑戰(zhàn)。新規(guī)格涵蓋了新的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議、電源管理架構(gòu)，到確保資料成功地在主機(jī)及裝置間傳輸。不過，在這些USB 3.0的升級(jí)中，唯一沒有改變的，就是對(duì)于安規(guī)的要求。系統(tǒng)工程師現(xiàn)在需要分配足夠的電力到這些連接埠，并謹(jǐn)慎地整合‘過電流保護(hù)’功能。

目前I/O連接埠的設(shè)計(jì)通常有整合電源線，直接供電到外圍設(shè)備，或提供電力讀取裝置端中EEPROM的資料。為了防止在未連接的狀態(tài)下發(fā)生短路，或連接上裝置后發(fā)生的異常狀況造成過電流，這些電源接腳都需要做好保護(hù)的功能。PPTC是非常適合提供此種保護(hù)的組件之一，而且也成為了電子設(shè)計(jì)中的主流，符合各種規(guī)范需求或安規(guī)要求，如UL 60950。

用于過電流保護(hù)的PPTC

PPTC是一種非線性、根據(jù)溫度而變化的電阻。一般情況下，PPTC組件擁有極高的導(dǎo)電度，所以電路可以正常運(yùn)作。但是當(dāng)過電流狀況發(fā)生的時(shí)候，此高電流會(huì)在PPTC組件上產(chǎn)生足夠的能量(焦耳熱效應(yīng))以超過其轉(zhuǎn)移溫度，造成104到106倍的電阻值彈跳。因此可排除過電流狀況，達(dá)到保護(hù)電路及組件的目標(biāo)。

在USB 3.0的規(guī)范中，明確要求使用限電流組件作為電源端之保護(hù)，而PPTC組件及低電壓半導(dǎo)體開關(guān)常被用來做此限電流的解決方式。大部分的時(shí)候，基于多種考量，工程師比較偏好使用PPTC組件來防止電路受到損害。因?yàn)榭芍涞碾娏髁吭赨SB 3.0中提高了，限電流的組件需要通過更多電流，但卻同時(shí)要保持一定的壓降。表1為在USB 3.0應(yīng)用中，PPTC組件與低壓半導(dǎo)體組件的比較，在價(jià)格、阻值、最大故障電流能量及靜電敏感度等方面均更具優(yōu)勢(shì)。

相較于USB 2.0，USB 3.0建立了新的電源管理結(jié)構(gòu)，并定義了新的連結(jié)狀態(tài)及機(jī)制，以達(dá)到更好的整體電源效率。而在電源供應(yīng)的分配上，3.0規(guī)格大致與2.0相同，但提升了電力需求且放寬了壓降要求。SuperSpeed裝置在與主機(jī)完成初始設(shè)定后，就可以使用到900mA的電流。在供電電壓的要求上，主機(jī)上的根連接端口或HUB上的連接埠都從原本的4.75V降到了4.45V，且由USB供電的裝置必須在4.00V就要能夠正常運(yùn)作。其它規(guī)定像是瞬間電流的限制、主機(jī)休眠或待命模式下的限流等，除了更新電流配置到150mA或高功率的900mA外，其它要求都與舊規(guī)格一樣嚴(yán)謹(jǐn)。

目前，針對(duì)USB 3.0的過電流保護(hù)，業(yè)界已出現(xiàn)了新的PPTC組件，可確保設(shè)計(jì)符合USB 3.0版規(guī)范要求。例如，盡管USB 3.0降低了在電源端的電壓要求，但新一代PPTC組件仍可確保PPTC的壓降在電流全載時(shí)不超過0.1V，除可確保與USB 2.0裝置的兼容性以外，也為主板上其它組件或線路保留了更大的設(shè)計(jì)余裕。此外，新一代過電流保護(hù)組件皆能夠在50℃以上高溫時(shí)保持電流全載且不動(dòng)作，避免PPTC組件因?yàn)闇囟鹊年P(guān)系(thermal derating)而誤動(dòng)作，尤其是在桌上型計(jì)算機(jī)的后端USB端口。

超低電阻PPTC材料

目前，業(yè)界已開發(fā)出能克服氧化問題的超低電阻PPTC材料及平臺(tái)，解決了以金屬鎳粉為導(dǎo)體系統(tǒng)所面臨的難題。以聚鼎科技的表面粘著式SLR系列為例，厚度便降至0.75mm以下，除了電池保護(hù)線路模塊(PCM)應(yīng)用外，也為手機(jī)、行動(dòng)網(wǎng)絡(luò)裝置(MID)或其它薄型電子產(chǎn)品開拓了更廣泛的應(yīng)用空間。

表：PPTC及半導(dǎo)體開關(guān)在1A應(yīng)用下的比較。