USB 3.0的電路保護方案攻略

最新USB 3.0協(xié)議（或“SuperSpeed USB”）被開(kāi)發(fā)用于提供更高的數據傳輸速率，并通過(guò)支持每個(gè)端口上的更高電流水平提高供電能力。它包含新的電源管理功能，以及可向后兼容USB 2.0設備的新電纜和連接器。最顯著(zhù)的變化是，4條附加的銅數據線(xiàn)被平行地增加到現有的USB 2.0總線(xiàn)中（如圖1所示）。這些附加的銅數據線(xiàn)被用來(lái)傳輸超高速數據，但也會(huì )傳輸ESD（靜電放電）和其它有害的瞬態(tài)電壓。

　　圖1：修訂后的USB 3.0協(xié)議增加了一條雙單工數據通道。

　　USB 3.0增加的電流和供電能力意味著(zhù)需要新的電路保護方案。經(jīng)過(guò)改進(jìn)的電路保護方法可以幫助保護USB 3.0應用免受過(guò)流、過(guò)壓及ESD瞬態(tài)電壓帶來(lái)的損害。

　　USB 3.0的過(guò)流保護

　　USB 3.0通過(guò)兩個(gè)部件提供電源：一個(gè)標準的主機（A型連接器）以及一種新型供電設備（Powered-B連接器）。最新SuperSpeed規范提高了可供給USB設備的電流總量（從0.5A提高到0.9A）。新的Powered-B連接器允許一個(gè)USB設備以高達1.0A的電流給另一設備充電。由于過(guò)流狀態(tài)會(huì )影響電源總線(xiàn)，所有的電源（如主機、集線(xiàn)器和Powered-B設備）都必須提供過(guò)流保護。過(guò)流保護也是UL60950標準所要求的。

　　與USB 2.0類(lèi)似，所有類(lèi)型的USB 3.0主機必須提供電源。USB 3.0的單個(gè)單元負載重定義為150mA，比USB 2.0的100mA略有增加?，F在，一個(gè)USB 3.0主機必須能夠每端口支持多達6個(gè)單元（900mA）。此外，USB 3.0集線(xiàn)器可能不再需要總線(xiàn)供電了。所有USB 3.0集線(xiàn)器現在必須每個(gè)端口都能夠支持900mA的電流。

　　此外，支持USB充電和USB 3.0的系統需要能承受更高電流的過(guò)流保護器件。USB充電器規范采用與USB 2.0相同的引腳配置，但允許更高的電流（每端口高達1.5A）。

　　最后，USB 3.0定義了一種新的Powered-B連接器，其主要的好處是更好的便攜性。Powered-B連接器允許去除USB電纜和額外的電源。使用Powered-B連接器的USB設備現在可為另一USB設備供電。通過(guò)提供兩個(gè)額外的接插口，新的連接器可使一個(gè)電源（帶有Powered-B連接器插座）能向另一設備（帶B型供電連接器插頭）提供高達1000mA的電流。例如，一臺打印機可給一臺無(wú)線(xiàn)適配器供電，從而無(wú)需一條有線(xiàn)USB連接。

　　在所有這些應用中，高分子聚合物正溫度系數器件（PPTC）為USB過(guò)流保護提供了最具性?xún)r(jià)比的解決方案。PPTC器件可用于USB 3.0主機應用、USB 3.0集線(xiàn)器應用、USB充電器應用，以及USB 3.0 Powered-B連接器應用中的電流限流保護。在USB電源的VBUS端口安裝的PPTC PolySwitch器件可在短路時(shí)限流，防止因下游電路突然短路造成的過(guò)流損壞，并有助于實(shí)現UL60950標準。

USB電源端口上的過(guò)壓保護

　　盡管USB定義了電源總線(xiàn)，但這并沒(méi)有消除與過(guò)壓相關(guān)的風(fēng)險。過(guò)壓事件可由一系列失效條件導致，包括用戶(hù)錯誤、穩壓很差的第三方電源、熱拔出事件和電感瞬變等。接口和充電系統也會(huì )產(chǎn)生負電壓，這會(huì )導致未受保護的外部設備受損。盡管USB 2.0 電源的標稱(chēng)誤差為5V±5%，但許多采用USB 2.0接口的大規模系統仍被設計成可承受16V甚至28V電壓（連續）。

　　由于USB 3.0提高了正常工作電流及其上限，因此，針對傳統0.5A 端口設計的過(guò)壓保護器件可能就不太適合用于保護新的每端口0.9A的USB 3.0接口。當一個(gè)0.9A主機拔出時(shí)，高壓感應尖峰就會(huì )產(chǎn)生，它可能會(huì )損壞總線(xiàn)上的其它設備。一個(gè)設計良好的總線(xiàn)將能吸收這些尖峰電壓，從而保護設備免受尖峰電壓的損害。

　　泰科電子的內部測試顯示，熱插拔引起的瞬態(tài)電壓盡管非常短暫，但電壓值可超過(guò)16～24V。內部測試還發(fā)現，開(kāi)路電壓大幅超過(guò)USB規范要求（5V±5%）的第三方充電器，可能對