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通過兩個部件提供電源：一個標(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的單個單元負(fù)載重定義為150mA，比USB 2.0的100mA略有增加。現(xiàn)在，一個USB 3.0主機(jī)必須能夠每端口支持多達(dá)6個單元(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。通過提供兩個額外的接插口，新的連接器可使一個電源(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，一臺打印機(jī)可給一臺無線適配器供電，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。過壓事件可由一系列失效條件導(dǎo)致，包括用戶錯誤、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)也會產(chǎn)生負(fù)電壓，這會導(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，針對傳統(tǒng)0.5A 端口設(shè)計的過壓保護(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0.9A主機(jī)拔出時，高壓感應(yīng)尖峰就會產(chǎn)生，它可能會損壞總線上的其它設(shè)備。一個設(shè)計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直流電源連接器，那么就必須安裝一個電路保護(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器件以及在一個典型USB電路上安裝6個低電容值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，它可能會出現(xiàn)在電源總線和數(shù)據(jù)線上。盡管現(xiàn)代IC可對抗高達(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個接到連接器的新引腳，以支持新的SuperSpeed接口：USB3_TX(差分對)和USB3_RX(差分對)。

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-信號線以及USB 3.0 SuperSpeed信號線的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，一個綜合保護(hù)方案可用來增強(qiáng)對高電流、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)計的電路保護(hù)器件。


圖4：針對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誤而引起的損害。