【導(dǎo)讀】USB 3.0的高速傳輸已經(jīng)增加的電流和供電能力意味著需要新的電路保護,本文介紹一了經(jīng)過改進的電路保護方法，可以幫助保護USB 3.0應(yīng)用免受過流、過壓及ESD瞬態(tài)電壓帶來的損害。
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的過流保護
USB 3.0通過兩個部件提供電源：一個標(biāo)準(zhǔn)的主機（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、集線器和Powered-B設(shè)備）都必須提供過流保護。過流保護也是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?，F(xiàn)在，一個USB 3.0主機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過流保護提供了最具性價比的解決方案。PPTC器件可用于USB 3.0主機應(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。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
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)計的過壓保護器件可能就不太適合用于保護新的每端口0.9A的USB 3.0接口。當(dāng)一個0.9A主機拔出時，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。將過壓保護器件（如PolyZen聚合物保護齊納二極管器件）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器件來保護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方案。
圖2：綜合的設(shè)備側(cè)過壓保護解決方案
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USB 3.0的ESD保護
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。在電路保護方案中增加PESD器件可提升保護級別，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電路保護方案
綜合電路保護方案
在USB應(yīng)用中，一個綜合保護方案可用來增強對高電流、高電壓和ESD瞬態(tài)電壓沖擊的保護。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方案
器件推薦
PPTC過流保護器件可幫助設(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。
