確保USB3.0電路可靠性 選對PTC/ESD方案是關(guān)鍵

USB 3.0傳輸速率高達5Gbit/s，且電源匯流排也有高達900毫安培的最大輸出電流，因此電路電氣瞬變和過(guò)流故障的預防極為重要，設計人員必須慎選適當的熱敏電阻（PTC）和靜電放電（ESD）方案，才能確保訊號完整性，并降低系統故障風(fēng)險。

　　通用序列匯流排（USB）規范自1996年發(fā)布以來(lái)，截至2012年為止已累積超過(guò)三十五億個(gè)電腦周邊設備的USB連接裝置出貨量。2010年，當第一批支援USB 3.0規格的裝置上市，銷(xiāo)售量就達到約一百萬(wàn)個(gè)，2012年更一舉增長(cháng)至五百萬(wàn)個(gè)左右，足見(jiàn)其市場(chǎng)成長(cháng)相當迅速。

　　相較于USB 2.0，USB 3.0擁有四個(gè)額外數據通道，傳輸速率高達5Gbit/s（圖1），而且電源匯流排也有高達900毫安培（mA）的最大輸出電流，這些新規格加上晶片尺寸不斷縮小，使得預防電路電氣瞬變和過(guò)流故障的問(wèn)題變得更加重要且復雜，因為高速傳輸下，即使只是很小的靜電放電（ESD）和短路事故，都將為系統帶來(lái)嚴重危害。

　　圖1 USB 3.0增加雙差分數據對，藉以達成5Gbit/s高速傳輸速率。

　　由于晶片靈敏度、訊號完整性和系統可靠性都是系統設計人員非常關(guān)注的事情，因此USB 3.0系統上的寄生電容、低箝位電壓和低電阻都成為電路保護元件選擇的關(guān)鍵指標。由于USB 3.0電源線(xiàn)可允許更大電流通過(guò)，電流保護器可有較低的電阻，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)鍵是要掌握保護技術(shù)，如熱敏電阻 （PTC）、壓敏電阻和ESD方案等，本文將詳細解釋須考慮的設計因素。

　　USB 3.0飆高速　電路保護挑戰更艱鉅

　　USB 2.0到USB 3.0最重要的物理變化是引進(jìn)SSRX+/SSRX和SSTx+/SSTx兩個(gè)差分數據，并維持和現有D-/D+資料匯流排并列運行的模式，這允許資料全雙工同時(shí)傳輸，改進(jìn)USB 2.0匯流排只能單個(gè)雙工傳輸的問(wèn)題。此外，USB 3.0還將電源匯流排上的電流從500毫安培增加到900毫安培，擴增外部設備供電的選擇，不再需要額外電源配套方案。

　　由于USB 3.0引進(jìn)額外的差分數據，引發(fā)更多ESD防護需求，過(guò)去以分離元件保護每個(gè)單獨資料線(xiàn)的方式已不足以保護其電路，工程師面臨的挑戰是要找到更好的ESD 和電壓瞬態(tài)保護方案，使敏感性資料線(xiàn)在沒(méi)有增加訊號畸變電容的情況下也能得以保護?，F階段，業(yè)界大多采直接放在資料對中的新半導體陣列ESD保護裝置，同時(shí)保護傳統USB 2.0資料線(xiàn)，以及USB 3.0額外的資料線(xiàn)。

　　與此同時(shí)，USB 3.0規范第11.4.1.1.1中規定，為安全起見(jiàn)，主機和所有自供電集線(xiàn)器須實(shí)現過(guò)電流保護，該集線(xiàn)器須檢測過(guò)電流情況，并將其報告至USB控制軟體。過(guò)電流限制機制須在毋須用戶(hù)干預的前提下自行復位，聚合物PTC和固態(tài)開(kāi)關(guān)就可用于過(guò)電流限制的方法之一。

　　根據UL60950-1標準要求，USB 3.0可能還需要其他過(guò)電流保護功能，USB匯流排收發(fā)器晶片或電源管理晶片雖已提供部分電流限制功能，但是當晶片不包含電流限制或附加保護功能時(shí)，電路設計人員須為電源匯流排設計電流限制PTC。

　　在電源匯流排上安裝聚合物PTC可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，還可幫助實(shí)現UL60950-1標準中第2.5節（有限電源，表2B）的規定，限制短路電流在5秒內小于8安培。

　　相關(guān)的USB集線(xiàn)器應用程式和USB 3.0的過(guò)電流保護規范如11.4.1.1.1條中陳述，如果下行埠的總電流超過(guò)預定值時(shí)，過(guò)電流保護電路可消除或減少所受影響的下行埠功率。預設值不能超過(guò)5安培，且須足夠大于所允許的最大埠電流或時(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)），達成過(guò)電流保護。

　　肩負USB 3.0埠保護重任　PTC選用規格大有學(xué)問(wèn)

　　圖2所示為用于多埠集線(xiàn)器配置的PTC解決方案，表1則顯示推薦的單一埠和兩個(gè)埠中聯(lián)動(dòng)的PTC元件，并針對新的USB電池充電規范1.2版列出所需的PTC方案。<