USB 3.0供電電路設(shè)計(jì)的關(guān)鍵考量

　　針對(duì)USB-IF對(duì)USB 3.0的重大更新規(guī)格中，USB 3.0界面升級(jí)，除了多數(shù)業(yè)者都相當(dāng)關(guān)心的傳輸效能增進(jìn)方面，其實(shí)USB 3.0因應(yīng)相關(guān)設(shè)備的充電與驅(qū)動(dòng)需求，所大幅提升的界面高電力供應(yīng)規(guī)范，也帶來USB界面設(shè)計(jì)不管在Host端或是Device端的保護(hù)電路設(shè)計(jì)新挑戰(zhàn)。

　　多數(shù)消費(fèi)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，若透過低電壓、低電流的USB 2.0界面進(jìn)行充電，勢(shì)必會(huì)大幅增加充電所需時(shí)間，加上iPad推出市面初期，也有透過計(jì)算機(jī)USB 2.0界面充電過慢或是無法充電的疑慮，而在iPad隨機(jī)提供的變壓器上，針對(duì)此采提供高輸出電流的變壓器作為隨機(jī)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題。

　　PPTC保護(hù)元件，可為USB界面提供完善之過電流保護(hù)。

　　USB　3.0界面電氣規(guī)格大幅升級(jí)，也帶來相關(guān)應(yīng)用設(shè)計(jì)新挑戰(zhàn)。

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

　　加速充電也帶來新的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

　　在USB 3.0相關(guān)規(guī)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(shè)計(jì)，以提升界面的電源應(yīng)用保護(hù)，而在電源供應(yīng)分配方面，USB 3.0規(guī)格大致與USB 2.0界面接近，而SuperSpeed裝置在與Host完成初始設(shè)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(yùn)作。其它USB 3.0相關(guān)規(guī)范規(guī)定，如瞬間電流限制、主機(jī)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(guī)格一樣嚴(yán)謹(jǐn)。

　　以USB 2.0界面的電氣規(guī)格觀察，USB單埠就必須供應(yīng)5V/500mA電源，這相當(dāng)于2.5W的電力輸出，以2.0的界面設(shè)計(jì)，為了呼應(yīng)縮短裝置充電時(shí)間的設(shè)計(jì)要求，一般設(shè)計(jì)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(guī)范的極限2.5W進(jìn)行充電，多數(shù)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(yuǎn)低于界面極限的500mA進(jìn)行充電。

　　相同的，在USB 3.0所規(guī)范的900mA，基本上在電子電路設(shè)計(jì)方面，必須為了電池充電安全考量，而無法以界面極限進(jìn)行相關(guān)充電機(jī)制設(shè)計(jì)，但如此一來升級(jí)裝置界面的優(yōu)勢(shì)（即縮短充電時(shí)間）效益就顯得不夠顯著。系統(tǒng)設(shè)計(jì)者在USB界面轉(zhuǎn)換至3.0的設(shè)計(jì)方案，必須面對(duì)的設(shè)計(jì)問題，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(shè)計(jì)案例中，多數(shù)Host端設(shè)置的USB埠不會(huì)僅有一組，可能會(huì)有3~4組不等，而設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)，同時(shí)設(shè)計(jì)還必須妥善配制電路保護(hù)設(shè)計(jì)，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(shè)計(jì)方案又必須能兼具極度縮小體積的設(shè)計(jì)趨勢(shì)與USB 2.0回溯支持要求，增加許多相關(guān)裝置的開發(fā)難度。

　　利用PowerPath IC改善供電設(shè)計(jì)

　　在裝置趨于輕薄與縮小化的產(chǎn)品趨勢(shì)，一般針對(duì)電源控制設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)空間，但此舉也造成可用的PCB板面積越來越少，更不可能導(dǎo)入電源相關(guān)保護(hù)線路設(shè)計(jì)。

　　在實(shí)際設(shè)計(jì)案方面，多數(shù)會(huì)采行具PowerPath的控制IC來搭配界面設(shè)計(jì)，也就是說電源控制IC本身即具備自主管理與USB電源設(shè)計(jì)的對(duì)應(yīng)方案，例如，可在充電應(yīng)用狀態(tài)時(shí)讓Host端優(yōu)先針對(duì)負(fù)載進(jìn)行電源供應(yīng)，同時(shí)將輸出電流盡可能在安全范圍內(nèi)提升到界面需求，而這類電源控制IC也可依據(jù)Host裝置所處于的供電狀態(tài)是市電110V供應(yīng)還是電池供電模式，而進(jìn)行不同的PowerPath應(yīng)用模式。

　　而在充電模式下，一般Host端的供應(yīng)狀態(tài)也不能以最高輸出加速接續(xù)產(chǎn)品的充電效率，因?yàn)椴煌难b置也有其電池安全特性，多數(shù)的設(shè)計(jì)必須搭配電池追蹤（Bat-Track）機(jī)制確認(rèn)可進(jìn)行的最高充電輸出，透過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(shè)計(jì)，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(duì)USB供電的行動(dòng)裝置，透過Host端進(jìn)行中的的應(yīng)用模式很難避免，在Host端肯定必須針對(duì)此進(jìn)行更完整的配套設(shè)計(jì)，以避免充電效率低下、或造成高熱損問題，而在電子電路的設(shè)計(jì)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)界常用過電流保護(hù)元件Polymer Positive Temperature Coefficient（PPTC）設(shè)計(jì)方案，為搭載USB 3.0界面的電子裝置提供良好的過電流保護(hù)設(shè)計(jì)，為避免連接、或未連接狀態(tài)發(fā)生的短路問題，或是于裝置與Host連接后發(fā)生的異常過電流狀況，都必須針對(duì)電源相關(guān)接腳進(jìn)行保護(hù)設(shè)計(jì)措施。

　　以PPTC的元件表現(xiàn)觀察，其電氣特性為非線性、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(dǎo)電性，但當(dāng)元件因過電流出現(xiàn)高熱現(xiàn)象，于PPTC零組件上產(chǎn)生足夠焦耳熱效應(yīng)，PPTC元件極短時(shí)間內(nèi)形成超過100倍電阻值變化，藉此達(dá)到保護(hù)電路、電子裝置的設(shè)計(jì)目標(biāo)。目前針對(duì)USB 3.0界面設(shè)計(jì)需要的過電流保護(hù)方案，業(yè)界多會(huì)搭配PPTC元件進(jìn)行電路設(shè)計(jì)，此可確保產(chǎn)品設(shè)計(jì)可符合USB 3.0界面的電氣規(guī)范要求。

　　圖說：USB 3.0界面電氣規(guī)格大幅升級(jí)，也帶來相關(guān)應(yīng)用設(shè)計(jì)新挑戰(zhàn)。