USB 3.0端口的ESD保護方案

無(wú)處不在的通用串行總線(xiàn)(USB)接口即將迎接又一次換代，以便緊跟連接帶寬需求不斷增長(cháng)的步伐。USB3.0或所謂“超高速USB”預計將在傳輸速度、電源管理和靈活性方面向前跨越一大步。USB 3.0的開(kāi)發(fā)方向包括提供更高的傳輸率、提高最大總線(xiàn)功率和設備電流、提供全新的電源管理功能以及向下兼容USB2.0的新型電纜和連接器。而最顯著(zhù)的變化是新增了一條與現有USB 2.0總線(xiàn)并行的物理總線(xiàn)，見(jiàn)圖1。

　　USB 3.0電流傳輸能力的提高強化了對全新電路保護方案的需求。一種協(xié)同電路保護手段將有助于在USB 3.0應用中防止因過(guò)流、過(guò)壓和ESD(靜電放電)瞬態(tài)而受損。

　　過(guò)流保護

　　USB 3.0通過(guò)兩類(lèi)器件供電：標準主控設備(A型連接器)和新型供電設備(Powered-B連接器)。新的SuperSpeed規范提高了流向USB設備的電流大小-從最大額定電流0.5 A提高至0.9 A。Powered-B連接器可以通過(guò)從兩個(gè)額外連接器輸送最高1.0 A的電流來(lái)對設備充電。

　　由于過(guò)流條件會(huì )影響電源總線(xiàn)，因此所有功率源(如主機和集線(xiàn)器)都需要進(jìn)行過(guò)流保護。

　　新型Powered-B連接器的主要優(yōu)勢在于改善了便攜性、方便性和功率效率。通過(guò)增加兩個(gè)額外觸點(diǎn)，新型連接器可以讓一種電子設備為另一種電子設備提供高達1000 mA的電流。比如，打印機可以為一臺無(wú)線(xiàn)適配器供電，這樣就不再需要連接有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )。

　　與USB 2.0類(lèi)似，各型USB 3.0連接器都具備供電能力。USB3.0的單裝置負載從USB 2的100 mA提高至150 mA。一臺電子設備最多可以拖動(dòng)6臺裝置(標準連接器和微型連接器每端口最高900mA)。標準USB 2.0連接器應用在USB 3.0中仍然不變。然而，盡管USB2.0集線(xiàn)器可以通過(guò)總線(xiàn)供電，但USB 3.0將不會(huì )提供這種選擇，而只能通過(guò)自有電源供電。

　由于需要一個(gè)插孔端口對USB 3.0集線(xiàn)器應用中的所有連接器供電，因此該插孔上需要使用電路保護器件防止因過(guò)壓事件受損，這類(lèi)事件可能有非穩壓電源、逆向電壓或電壓瞬態(tài)。圖2表示了在VBUS上安裝泰科電子PolyZen器件以及在該器件端口上安裝六個(gè)小電容PESD器件的方法，幫助實(shí)現協(xié)同的過(guò)流/過(guò)壓保護方案。

　　此外，對于支持USB充電的系統還需要具有大電流能力的過(guò)流保護器件。PolySwitch聚合正溫度系數(PPTC)器件可以提供具有成本效益的USB過(guò)流保護方案。如圖3所示，在VBUS端口上安裝PolySwitch器件有助于防止因設備下游側突然短路而造成的過(guò)流損傷并降低各種USB應用中需要的功率損耗。

　　過(guò)壓保護

　　針對傳統0.5A端口設計的USB過(guò)壓保護器件不適合每端口0.9A的新USB規范。如果一臺0.9A主機斷開(kāi)，將產(chǎn)生高感應電壓尖峰，這會(huì )對仍然留在總線(xiàn)上的設備造成負面影響。設計完善的總線(xiàn)會(huì )吸收這種尖峰，防止設備與其接觸。各種接口和充電系統都會(huì )因為使用不正確充電器、穩壓不良的第三方充電器或者熱插拔事件而使便攜式電子設備面臨受損的危險。雖然典型USB電源具有5V ±5%的穩壓線(xiàn)路，但在特殊情況下，這些線(xiàn)路上的電壓也可能大大超過(guò)5.25V。接口和充電系統也會(huì )產(chǎn)生負電壓，導致未采取保護措施的外圍設備受損。

　泰科電子的內部檢測表明，熱插拔引起的瞬態(tài)，盡管時(shí)間很短暫，但電壓幅度卻可能超過(guò)16~24V。內部檢測還發(fā)現第三方充電器的開(kāi)路電壓超過(guò)了5V ±5%的USB規范要求。在所有USB受電設備，尤其是VBUS端口上安裝過(guò)壓保護器件(如PolyZen聚合體保護zener二極管器件)可以有效防止因電壓瞬態(tài)而受損。對于USB 3.0設備來(lái)說(shuō)，PolyZen器件可酌情置于USB輸入端口、Power -B插頭和母插孔電源端口上。

　　ESD保護

　　過(guò)壓瞬態(tài)往往是ESD造成的，電源總線(xiàn)和數據總線(xiàn)上都可能出現。盡管現代集成電路可以抵御最高2000 V的電壓，但人體本身卻能輕易地聚集高達25000V的靜電。在I/O端口保護應用中，數據線(xiàn)上需要具有快速鉗位和恢復響應的極低電容ESD器件。

　　現有USB 2.0協(xié)議支持最高480Mbps的數據傳輸速率、即插即用、熱插拔安裝和運行。比較而言，USB 3.0規范支持的數據傳輸速率高達5Gbps，并向下兼容低速USB 2.0規范。

　　USB 3.0在連接上增加了四個(gè)新引腳來(lái)支持全新的SuperSpeed接口：USB3_TX (差分線(xiàn)對)和USB3_RX(差分線(xiàn)對)，如圖4所示。