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(gè)額外的數據通道，而且電源總線(xiàn)也有著(zhù)高達900mA的最大輸出電流。這些新的USB 3.0規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(guò)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(lái)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(guān)鍵指標。

　　USB 3.0接口設備集合了通信速度為5Gbps的四個(gè)額外的數據通道，而且電源總線(xiàn)也有著(zhù)高達900mA的最大輸出電流。這些新的USB 3.0規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(guò)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(lái)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的可靠性都應該是系統設計人員非常關(guān)注的事情。寄生電容，低鉗位電壓和低電阻成為電路保護元件選擇中的關(guān)鍵指標。由于電源線(xiàn)可用允許更大的電流通過(guò)，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(guān)重要。一項成功設計的關(guān)鍵是要明白關(guān)鍵選擇標準和保護技術(shù)(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(wèn)題。

　　USB 3.0 的工作特性

　　通用串行總線(xiàn)(USB)標準是一套電子系統之間高速有線(xiàn)通信的接口規范。USB 3.0標準規定了數據傳輸速度的提高，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(chēng)為SSRX+ / SSRX和SSTx+ / SSTx的兩個(gè)差分數據的引進(jìn)，并且他們保持著(zhù)和現有的D-/ D+數據總線(xiàn)并列運行。這允許了數據全雙工同時(shí)傳輸，而USB 2.0總線(xiàn)只能單個(gè)雙工傳輸。

　　USB3.0還包括把電源總線(xiàn)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

　　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的數據傳輸速率已升至5Gbps和通道電容為支持新的數據傳輸速率也下降了。設計師們面臨的挑戰是要找到電壓瞬態(tài)保護更好的解決方案，使敏感數據線(xiàn)在沒(méi)有增加信號畸變電容的情況下也能得以保護。

　　引進(jìn)的額外的差分數據對需要更多的數據線(xiàn)得到防靜電保護，過(guò)去分離器件的保護解決方案是保護每個(gè)單獨的數據線(xiàn)，這可能不是理想的解決方案了。直接放在數據對中的新半導體陣列ESD保護裝置，不僅保護了傳統的USB 2.0數據線(xiàn)，而且也保護了這些額外的數據信號對。

　　對于過(guò)電流保護，USB3.0規范第11.4.1.1.1規定：(1)為了安全起見(jiàn)，主機和所有自供電集線(xiàn)器必須實(shí)現過(guò)電流保護，該集線(xiàn)器必須具有一種方法來(lái)檢測過(guò)電流情況，并將其報告至USB軟件。(2)過(guò)電流限制機制必須在無(wú)需用戶(hù)干預的前提下自行復位。聚合物PTC和固態(tài)開(kāi)關(guān)就是可以用于過(guò)電流限制的方法。

　　按照UL60950-1標準的一些要求，可能還需要過(guò)電流保護。

　　過(guò)電流保護

　　USB總線(xiàn)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(shí)，電路設計人員必須為電源總線(xiàn)設計電流限制PTC。

　　在電源總線(xiàn)上(參見(jiàn)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(guò)電流損壞。它也可以幫助實(shí)現UL60950-1標準中第2.5節(有限電源，表2B)的規定，其中規定必須限制短路電流在5秒內小于8A。

　　相關(guān)的USB集線(xiàn)器應用程序和USB 3.0的過(guò)電流保護規范如11.4.1.1.1條中陳述：如果下行端口的總電流超過(guò)預定值時(shí)，過(guò)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(guò)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(kāi)機，動(dòng)態(tài)連接或重新配置時(shí))可以受到過(guò)電流保護?！　?/p>

 

　　圖2示出了用于多端口集線(xiàn)器配置的PTC解決方案。對于單端口配置，見(jiàn)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電池充電規范1.2版的PTC的解決方案。

　　在選擇PTC為作為USB端口保護時(shí)，需要考慮幾個(gè)關(guān)鍵參數：(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>