USB 3.0供電電路設計的關(guān)鍵考量

　　針對USB-IF對USB 3.0的重大更新規格中，USB 3.0界面升級，除了多數業(yè)者都相當關(guān)心的傳輸效能增進(jìn)方面，其實(shí)USB 3.0因應相關(guān)設備的充電與驅動(dòng)需求，所大幅提升的界面高電力供應規范，也帶來(lái)USB界面設計不管在Host端或是Device端的保護電路設計新挑戰。

　　多數消費者都希望可以大幅縮短行動(dòng)裝置的充電時(shí)間，例如Apple iPad裝置，由于裝置本身裝載高容量的鋰電池，若透過(guò)低電壓、低電流的USB 2.0界面進(jìn)行充電，勢必會(huì )大幅增加充電所需時(shí)間，加上iPad推出市面初期，也有透過(guò)計算機USB 2.0界面充電過(guò)慢或是無(wú)法充電的疑慮，而在iPad隨機提供的變壓器上，針對此采提供高輸出電流的變壓器作為隨機配件，但在Host端，依舊會(huì )遭遇USB界面充電速度限制的難解問(wèn)題。

　　PPTC保護元件，可為USB界面提供完善之過(guò)電流保護。

　　USB　3.0界面電氣規格大幅升級，也帶來(lái)相關(guān)應用設計新挑戰。

　　而iPad的推出，凸顯了未來(lái)行動(dòng)裝置，為增加電池續航力而采取加大電池容量的設計趨勢，若以舊有5V/500mA的USB界面進(jìn)行應用，肯定會(huì )讓裝置在充電時(shí)遭遇使用體驗大幅扣分，檢視新一代USB 3.0界面所規范的5V/900mA界面電氣規格，至少可以提供USB 2.0界面節省一倍的充電時(shí)間。

　　加速充電也帶來(lái)新的設計挑戰

　　在USB 3.0相關(guān)規范中，即明確要求裝置或界面必須搭配限電流元件進(jìn)行相關(guān)設計，以提升界面的電源應用保護，而在電源供應分配方面，USB 3.0規格大致與USB 2.0界面接近，而SuperSpeed裝置在與Host完成初始設定后，裝置即可使用到近900mA的界面電流，而在供電電壓方面，Host連接埠或HUB上的連接埠，會(huì )從原本的4.75V降至4.45V，甚至采USB界面進(jìn)行供電的外接裝置，必須僅4.00V界面電壓即可正常運作。其它USB 3.0相關(guān)規范規定，如瞬間電流限制、主機待命/休眠模式下的界面限電流等，除在界面最高額定電流配置高功率的900mA外，其它要求都與USB 2.0界面電氣規格一樣嚴謹。

　　以USB 2.0界面的電氣規格觀(guān)察，USB單埠就必須供應5V/500mA電源，這相當于2.5W的電力輸出，以2.0的界面設計，為了呼應縮短裝置充電時(shí)間的設計要求，一般設計為了裝置的充電安全考量，大多不會(huì )采取讓Host端以界面規范的極限2.5W進(jìn)行充電，多數會(huì )把「實(shí)際」的輸出功率略降，以2~2.1W的方式為裝置進(jìn)行充電，甚至有些裝置為求安全，還會(huì )把自USB匯流排的汲取電流座更多的限制，或遠低于界面極限的500mA進(jìn)行充電。

　　相同的，在USB 3.0所規范的900mA，基本上在電子電路設計方面，必須為了電池充電安全考量，而無(wú)法以界面極限進(jìn)行相關(guān)充電機制設計，但如此一來(lái)升級裝置界面的優(yōu)勢（即縮短充電時(shí)間）效益就顯得不夠顯著(zhù)。系統設計者在USB界面轉換至3.0的設計方案，必須面對的設計問(wèn)題，就有界面電源輸出功率從2.5W一舉提升到4.5W近一倍的差異。

　　在實(shí)際設計案例中，多數Host端設置的USB埠不會(huì )僅有一組，可能會(huì )有3~4組不等，而設計師又得面臨管理多個(gè)界面的供電電路、電力匹配與輸入電壓源和電池間的PowerPath設計，同時(shí)設計還必須妥善配制電路保護設計，以確保重要IC免于受瞬時(shí)高壓影響或損壞，而相關(guān)的設計方案又必須能兼具極度縮小體積的設計趨勢與USB 2.0回溯支持要求，增加許多相關(guān)裝置的開(kāi)發(fā)難度。

　　利用PowerPath IC改善供電設計

　　在裝置趨于輕薄與縮小化的產(chǎn)品趨勢，一般針對電源控制設計的電子電路，大多必須占用較多PCB的面積，加上PCB朝多層板為使用重點(diǎn)，借以縮小產(chǎn)品的設計空間，但此舉也造成可用的PCB板面積越來(lái)越少，更不可能導入電源相關(guān)保護線(xiàn)路設計。

　　在實(shí)際設計案方面，多數會(huì )采行具PowerPath的控制IC來(lái)搭配界面設計，也就是說(shuō)電源控制IC本身即具備自主管理與USB電源設計的對應方案，例如，可在充電應用狀態(tài)時(shí)讓Host端優(yōu)先針對負載進(jìn)行電源供應，同時(shí)將輸出電流盡可能在安全范圍內提升到界面需求，而這類(lèi)電源控制IC也可依據Host裝置所處于的供電狀態(tài)是市電110V供應還是電池供電模式，而進(jìn)行不同的PowerPath應用模式。

　　而在充電模式下，一般Host端的供應狀態(tài)也不能以最高輸出加速接續產(chǎn)品的充電效率，因為不同的裝置也有其電池安全特性，多數的設計必須搭配電池追蹤（Bat-Track）機制確認可進(jìn)行的最高充電輸出，透過(guò)Bat-Track取得與追蹤裝置的最佳充電狀態(tài)，掌握Device的可耐受充電設計，藉此盡可能加速充電進(jìn)行。

　　考量USB供電電路的關(guān)鍵重點(diǎn)

　　而針對USB供電的行動(dòng)裝置，透過(guò)Host端進(jìn)行中的的應用模式很難避免，在Host端肯定必須針對此進(jìn)行更完整的配套設計，以避免充電效率低下、或造成高熱損問(wèn)題，而在電子電路的設計方面，也必須搭配Over Voltage Protection；OVP）電路，防止瞬態(tài)高壓造成裝置或Host端的意外損壞。

　　業(yè)界常用過(guò)電流保護元件Polymer Positive Temperature Coefficient（PPTC）設計方案，為搭載USB 3.0界面的電子裝置提供良好的過(guò)電流保護設計，為避免連接、或未連接狀態(tài)發(fā)生的短路問(wèn)題，或是于裝置與Host連接后發(fā)生的異常過(guò)電流狀況，都必須針對電源相關(guān)接腳進(jìn)行保護設計措施。

　　以PPTC的元件表現觀(guān)察，其電氣特性為非線(xiàn)性、隨溫度巨幅變化的電阻零組件，在正常情況下PPTC元件可保持極佳導電性，但當元件因過(guò)電流出現高熱現象，于PPTC零組件上產(chǎn)生足夠焦耳熱效應，PPTC元件極短時(shí)間內形成超過(guò)100倍電阻值變化，藉此達到保護電路、電子裝置的設計目標。目前針對USB 3.0界面設計需要的過(guò)電流保護方案，業(yè)界多會(huì )搭配PPTC元件進(jìn)行電路設計，此可確保產(chǎn)品設計可符合USB 3.0界面的電氣規范要求。

　　圖說(shuō)：USB 3.0界面電氣規格大幅升級，也帶來(lái)相關(guān)應用設計新挑戰。