作者：Kedar Bhatawadekar   

最新USB 3.0協(xié)議(或“SuperSpeed USB”)被開發(fā)用于提供更高的數(shù)據(jù)傳輸速率,，并通過支持每個(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)用免受過流,、過壓及ESD瞬態(tài)電壓帶來的損害,。

過流保護(hù)

USB 3.0通過兩個(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)都必須提供過流保護(hù),。過流保護(hù)也是UL60950標(biāo)準(zhǔn)所要求的。

與USB 2.0類似,，所有類型的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)無線適配器供電,，從而無需一條有線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過流保護(hù)提供了最具性價(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流損壞,，并有助于實(shí)現(xiàn)UL60950標(biāo)準(zhǔn),。

USB電源端口上的過壓保護(hù)

盡管USB定義了電源總線，但這并沒有消除與過壓相關(guān)的風(fēng)險(xiǎn),。過壓事件可由一系列失效條件導(dǎo)致,，包括用戶錯(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16～24V,。內(nèi)部測試還發(fā)現(xiàn)，開路電壓大幅超過USB規(guī)范要求(5V±5%)的第三方充電器,，可能對(duì)敏感的電子設(shè)備構(gòu)成威脅,。將過壓保護(hù)器件(如PolyZen聚合物保護(hù)齊納二極管器件)放置在所有USB供電設(shè)備的電源輸入端(特別是在VBUS端口)，有助于保護(hù)設(shè)備免遭過壓事件造成的損壞,。

對(duì)于USB 3.0設(shè)備,，PolyZen器件可安裝在USB輸入端口的VBUS上、Powered-B插頭的DPWR端口,、桶形插座電源端口,、以及USB集線器的VBUS輸入端。

必須注意,，USB 3.0不再支持總線供電集線器而僅支持自供電集線器,。在USB 3.0應(yīng)用中，需要一個(gè)電源來為集線器的所有端口供電,。如果在集線器的輸入端使用一個(gè)直流電源連接器,，那么就必須安裝一個(gè)電路保護(hù)器件來保護(hù)集線器免受過壓事件的損害,，如未穩(wěn)流或錯(cuò)誤電源、反向電壓和瞬態(tài)電壓,。

圖2顯示了如何在VBUS上安裝PolyZen器件以及在一個(gè)典型USB電路上安裝6個(gè)低電容值PESD器件,，才能幫助提供綜合過壓保護(hù)方案。


圖2：綜合的設(shè)備側(cè)過壓保護(hù)解決方案,。

ESD保護(hù)

瞬態(tài)過壓經(jīng)常是由ESD引起的,，它可能會(huì)出現(xiàn)在電源總線和數(shù)據(jù)線上。盡管現(xiàn)代IC可對(duì)抗高達(dá)2000V的高壓,，但人體很容易產(chǎn)生出高達(dá)25000V的靜電,。在I/O端口保護(hù)應(yīng)用中，數(shù)據(jù)線上的ESD器件必須具備以下特性：快速箝位,、快速恢復(fù)響應(yīng)和極低電容值,。

現(xiàn)有的USB 2.0協(xié)議允許高達(dá)480Mbps的數(shù)據(jù)傳輸速率，并支持即插即用,、熱插拔安裝和運(yùn)行,。與之相比，USB 3.0規(guī)范允許高達(dá)5Gbps的數(shù)據(jù)傳輸速率,，并向后支持較低速的USB 2.0規(guī)范,。

USB 3.0增加了4個(gè)接到連接器的新引腳，以支持新的SuperSpeed接口：USB3_TX(差分對(duì))和USB3_RX(差分對(duì)),。

USB 3.0的SuperSpeed接口與USB 2.0相比,，要求更低電容值的ESD保護(hù)器件。增加極低電容值的PESD器件可以幫助最小化插入損耗,，以滿足USB 3.0的眼圖要求,。憑借0.2pF的典型電容值和大于6GHz的平坦插損區(qū)域，PESD器件能夠支持USB 3.0應(yīng)用的要求,，并處理大量ESD瞬態(tài)電壓沖擊,。

與大多數(shù)傳統(tǒng)的MLV(多層變阻器)或TVS(瞬態(tài)電壓抑制器)二極管技術(shù)相比，PESD器件可提供更低的電容值,，而且其低觸發(fā)和低箝位電壓也有助于保護(hù)敏感的電子元件,。PESD器件適用于USB 2.0高速D+和D-信號(hào)線以及USB 3.0 SuperSpeed信號(hào)線的ESD保護(hù)。在電路保護(hù)方案中增加PESD器件可提升保護(hù)級(jí)別,，從而滿足IEC61000-4-2規(guī)范要求。該規(guī)范規(guī)定接觸模式的ESD測試標(biāo)準(zhǔn)是8kV(典型)/15kV(最大),，空氣放電模式的ESD測試標(biāo)準(zhǔn)是15kV(典型)/25kV(最大) ,。

圖3：一個(gè)綜合的USB 3.0電路保護(hù)方案。

綜合電路保護(hù)方案

在USB應(yīng)用中,，一個(gè)綜合保護(hù)方案可用來增強(qiáng)對(duì)高電流,、高電壓和ESD瞬態(tài)電壓沖擊的保護(hù),。圖3和4顯示了適用于USB 3.0和Powered-B連接器設(shè)計(jì)的電路保護(hù)器件。


圖4：針對(duì)USB 3.0應(yīng)用中最新Powered-B連接器的綜合電路保護(hù)方案,。

器件推薦

PPTC過流保護(hù)器件可幫助設(shè)計(jì)師滿足USB 3.0規(guī)范的新的大電流要求,，并提供一種簡單的、節(jié)省空間的限流解決方案,。PESD器件可提供高速數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)用所需的低電容值(典型值0.2pF),，并可提供目前電子工業(yè)最流行的外形尺寸。PolyZen器件既可為設(shè)計(jì)師提供傳統(tǒng)箝位二極管的簡單性,，又消除了持續(xù)過壓所需的大型散熱片,。該器件可保護(hù)設(shè)備免受因使用不正確的電源、瞬態(tài)電壓和其它因用戶錯(cuò)誤而引起的損害,。