USB 3.0的電路保護(hù)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(shù)據(jù)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(shè)備的新電纜和連接器。最顯著的變化是，4條附加的銅數(shù)據(jù)線被平行地增加到現(xiàn)有的USB 2.0總線中（如圖1所示）。這些附加的銅數(shù)據(jù)線被用來(lái)傳輸超高速數(shù)據(jù)，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(shù)據(jù)通道。

　　USB 3.0增加的電流和供電能力意味著需要新的電路保護(hù)方案。經(jīng)過(guò)改進(jìn)的電路保護(hù)方法可以幫助保護(hù)USB 3.0應(yīng)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(hù)

　　USB 3.0通過(guò)兩個(gè)部件提供電源：一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的主機(jī)（A型連接器）以及一種新型供電設(shè)備（Powered-B連接器）。最新SuperSpeed規(guī)范提高了可供給USB設(shè)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(shè)備以高達(dá)1.0A的電流給另一設(shè)備充電。由于過(guò)流狀態(tài)會(huì)影響電源總線，所有的電源（如主機(jī)、集線器和Powered-B設(shè)備）都必須提供過(guò)流保護(hù)。過(guò)流保護(hù)也是UL60950標(biāo)準(zhǔn)所要求的。

　　與USB 2.0類(lèi)似，所有類(lèi)型的USB 3.0主機(jī)必須提供電源。USB 3.0的單個(gè)單元負(fù)載重定義為150mA，比USB 2.0的100mA略有增加?，F(xiàn)在，一個(gè)USB 3.0主機(jī)必須能夠每端口支持多達(dá)6個(gè)單元（900mA）。此外，USB 3.0集線器可能不再需要總線供電了。所有USB 3.0集線器現(xiàn)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(tǒng)需要能承受更高電流的過(guò)流保護(hù)器件。USB充電器規(guī)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(dá)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(shè)備現(xiàn)在可為另一USB設(shè)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(shè)備（帶B型供電連接器插頭）提供高達(dá)1000mA的電流。例如，一臺(tái)打印機(jī)可給一臺(tái)無(wú)線適配器供電，從而無(wú)需一條有線USB連接。

　　在所有這些應(yīng)用中，高分子聚合物正溫度系數(shù)器件（PPTC）為USB過(guò)流保護(hù)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(jī)應(yīng)用、USB 3.0集線器應(yīng)用、USB充電器應(yīng)用，以及USB 3.0 Powered-B連接器應(yīng)用中的電流限流保護(hù)。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(xiàn)UL60950標(biāo)準(zhǔn)。

USB電源端口上的過(guò)壓保護(hù)

　　盡管USB定義了電源總線，但這并沒(méi)有消除與過(guò)壓相關(guān)的風(fēng)險(xiǎn)。過(guò)壓事件可由一系列失效條件導(dǎo)致，包括用戶(hù)錯(cuò)誤、穩(wěn)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(tǒng)也會(huì)產(chǎn)生負(fù)電壓，這會(huì)導(dǎo)致未受保護(hù)的外部設(shè)備受損。盡管USB 2.0 電源的標(biāo)稱(chēng)誤差為5V±5%，但許多采用USB 2.0接口的大規(guī)模系統(tǒng)仍被設(shè)計(jì)成可承受16V甚至28V電壓（連續(xù)）。

　　由于USB 3.0提高了正常工作電流及其上限，因此，針對(duì)傳統(tǒng)0.5A 端口設(shè)計(jì)的過(guò)壓保護(hù)器件可能就不太適合用于保護(hù)新的每端口0.9A的USB 3.0接口。當(dāng)一個(gè)0.9A主機(jī)拔出時(shí)，高壓感應(yīng)尖峰就會(huì)產(chǎn)生，它可能會(huì)損壞總線上的其它設(shè)備。一個(gè)設(shè)計(jì)良好的總線將能吸收這些尖峰電壓，從而保護(hù)設(shè)備免受尖峰電壓的損害。

　　泰科電子的內(nèi)部測(cè)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(nèi)部測(cè)試還發(fā)現(xiàn)，開(kāi)路電壓大幅超過(guò)USB規(guī)范要求（5V±5%）的第三方充電器，可能對(duì)