采用USB 3.0的過電流保護解決方案

為因應各種不同外圍設備的需求，USB3.0除了提升速度外，也提高電力供應的要求。本文先針對業(yè)界常用的過電流保護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的應用下比較與低電壓半導體開關的差別。

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 PPTC 組件應用建議，并以新一代薄型低電阻表面粘著PPTC組件為例說明新的導體材料開發(fā)進程，透過運用新材料，可為當前的超薄型電子產(chǎn)品提供良好過電流保護。

由于電子產(chǎn)品對速度、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，對電力供應的要求也從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，到確保資料成功地在主機及裝置間傳輸。不過，在這些USB 3.0的升級中，唯一沒有改變的，就是對于安規(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，并謹慎地整合‘過電流保護’功能。

目前I/O連接埠的設計通常有整合電源線，直接供電到外圍設備，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的功能。PPTC是非常適合提供此種保護的組件之一，而且也成為了電子設計中的主流，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組件擁有極高的導電度，所以電路可以正常運作。但是當過電流狀況發(fā)生的時候，此高電流會在PPTC組件上產(chǎn)生足夠的能量(焦耳熱效應)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，達到保護電路及組件的目標。

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，而PPTC組件及低電壓半導體開關常被用來做此限電流的解決方式。大部分的時候，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。因為可支配的電流量在USB 3.0中提高了，限電流的組件需要通過更多電流，但卻同時要保持一定的壓降。表1為在USB 3.0應用中，PPTC組件與低壓半導體組件的比較，在價格、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。

相較于USB 2.0，USB 3.0建立了新的電源管理結構，并定義了新的連結狀態(tài)及機制，以達到更好的整體電源效率。而在電源供應的分配上，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裝置在與主機完成初始設定后，就可以使用到900mA的電流。在供電電壓的要求上，主機上的根連接端口或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就要能夠正常運作。其它規(guī)定像是瞬間電流的限制、主機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)格一樣嚴謹。

目前，針對USB 3.0的過電流保護，業(yè)界已出現(xiàn)了新的PPTC組件，可確保設計符合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計余裕。此外，新一代過電流保護組件皆能夠在50℃以上高溫時保持電流全載且不動作，避免PPTC組件因為溫度的關系(thermal derating)而誤動作，尤其是在桌上型計算機的后端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，解決了以金屬鎳粉為導體系統(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，除了電池保護線路模塊(PCM)應用外，也為手機、行動網(wǎng)絡裝置(MID)或其它薄型電子產(chǎn)品開拓了更廣泛的應用空間。

表：PPTC及半導體開關在1A應用下的比較。