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基于USB3.0電路可靠性的PTC/ESD方案

作者: 時(shí)間:2013-11-14 來(lái)源:網(wǎng)絡(luò ) 收藏
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 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。

  

  圖2 USB 3.0多埠集線(xiàn)器配置架構圖

  

  在選擇PTC做為USB埠保護時(shí),還須考慮幾個(gè)關(guān)鍵參數,包括最大電流須支援900毫安培、PTC位置的工作溫度、觸發(fā)速度和直流電阻等。表1中所有PTC都能保護最大電流為900毫安培的USB 3.0埠,就算最高工作溫達60℃也不會(huì )跳閘。

  由于溫度變化急劇可能使PTC的觸發(fā)速率下降,所以這也是PTC選擇過(guò)程中的一個(gè)重要方面,設計師選擇PTC時(shí)應考慮不相容的USB 3.0設備,且負載900毫安培電流的情況,使PTC在最高工作溫度下有超過(guò)900毫安培的最大可用電流,否則,PTC可能會(huì )錯誤觸發(fā)。

  每個(gè)PTC也要在電流8安培的時(shí)候,以小于5秒的速度進(jìn)行短路故障觸發(fā),因此符合UL60950-1有限電源規范以及把USB 3.0規范中電流限制在5安培是很重要的。

  選擇最合適的PTC最后的關(guān)鍵參數是直流電阻。由于USB 3.0現在提供最大電流為900毫安培,所以電路中的功耗須進(jìn)一步降低,此外,電源匯流排兩端元件的電壓降也須縮小,特別當是該電路電阻預算很吃緊的時(shí)候。

  整體而言,選擇PTC的主要目標是確保電流設備在最高溫度下能承受至少900毫安培電流。以設定60℃為最糟糕的設計溫度情況為例,單埠應用應選擇最小尺寸且可支持最大所需電流0.95安培的方案,如表1中的第一個(gè)方案。若使用一個(gè)PTC保護兩個(gè)USB 3.0埠,表1中第三個(gè)方案是一個(gè)不錯的選擇,因為它在60℃時(shí)可保持2.19安培電流,滿(mǎn)足各方面的安全考慮。

  增強USB 3.0電路保護 外掛元件勢在必行

  USB 3.0增加的資料線(xiàn)因提供更多電氣瞬變的可能入口通道,也將承受更大的威脅。盡管現代晶片往往都有受到一定程度的自我保護功能(通常在500~2kV的范圍內),但對USB 3.0電路而言仍是不足的,因此須導入額外的ESD保護元件。

  靜電防護水準的等級系根據有1,500歐姆(Ω)放電電阻的MIL-STD HBM模型分級。MIL-STD模型中,以一個(gè)2kV的脈沖相當于有著(zhù)330歐姆放電電阻,且電壓為500伏特的IEC 61000-4-2模型為基礎(圖3),目前人體放電模式(HBM)可用脈沖在相同的瞬態(tài)電壓是IEC模型可用的四分之一。發(fā)生靜電放電事故時(shí),電壓往往高達15kV甚至更高,將導致軟體故障、電路潛在損害或災難性故障,因此,額外的ESD保護是提高現代介面埠生存能力的必要條件。

  

  圖3 IEC 61000-4-2 ESD電流波形

  為確定外部ESD事故預防系統,業(yè)界已開(kāi)發(fā)出幾個(gè)測試標準,其中,IEC 61000-4-2條款受到最廣泛的認可;該標準定義ESD在不同的環(huán)境和安裝條件中的測試規范,如今的USB 3.0埠在此規范下,須承受至少8kV接觸放電,達到IEC 61000-4-2條款第四級的要求。

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