原创浅谈USB 3.0的电路保护方案

 2013-1-15 16:42  1658 9 13 分类: 消费电子

USB3.0提供更高的传输率、提高了最大总线功率和设备电流、提供全新的电源管理功能、以及向下兼容USB2.0的新型电缆和连接器。USB3.0规定的单一负载工作电流，已由USB2.0规范的100mA提升为150mA。一台USB3.0电子设备最多可以驱动6台USB装置（标准连接器和微型连接器每端口最高900mA）。因此，USB3.0电流传输能力的提高对电路保护方案提出了新的要求。

最新USB 3.0协议被开发用于提供更高的数据传输速率，并通过支持每个端口上的更高电流水平提高供电能力。它包含新的电源管理功能，以及可向后兼容USB 2.0设备的新电缆和连接器。最显着的变化是，4条附加的铜数据线被平行地增加到现有的USB 2.0总线中。这些附加的铜数据线被用来传输超高速数据，但也会传输ESD和其它有害的瞬态电压。（如图1所示）。

图1：修订后的USB 3.0协议增加了一条双单工数据通道。

USB 3.0增加的电流和供电能力意味着需要新的电路保护方案。经过改进的电路保护方法可以帮助保护USB 3.0应用免受过流、过压及ESD瞬态电压带来的损害。

过流保护

在过流保护方面，USB3.0通过两类器件供电，即标准主控设备（A型连接器）和新型供电设备（Powered-B连接器）。新的规范提高了流向USB设备的电流大小，从最大额定电流0.5A提高至0.9A。Powered-B连接器可以通过从两个额外连接器输送最高1.0A的电流来对设备充电。由于过流条件会影响电源总线，因此所有功率源（如主机和集线器）都需要进行过流保护。“USB 3.0标准保护方案必须支持每端口最小900mA的电流，过电流保护必须满足发生故障时在60s内将故障电流限制在5A以下。”董涌表示。

与USB2.0集线器可以通过总线供电不同，USB3.0将不会提供这种选择，而只能通过自有电源供电。由于需要一个插孔端口对USB3.0集线器应用中的所有连接器供电，因此该插孔上需要使用电路保护器件防止因过压事件受损，这类事件可能有非稳压电源、逆向电压或电压瞬态。在VBUS上安装泰科电子 PolyZen器件以及在该器件端口上安装六个小电容Leiditech ESD器件的方法，能够帮助实现协同的过流/过压保护方案。

在过压保护方面，USB3.0新规范的出台将使传统0.5A端口设计的过压保护器件不再适用。如果一台0.9A主机断开，将产生高感应电压尖峰，这会对仍然留在总线上的设备造成负面影响。各种接口和充电系统都会因为使用不正确充电器、稳压不良的第三方充电器或者热插拔事件而使便携式电子设备面临受损的危险。

过压瞬态往往是ESD造成的，电源总线和数据总线上都可能出现。现有USB 2.0协议支持最高480Mbps的数据传输速率，而USB 3.0规范支持的数据传输速率高达5Gbps，因此USB 3.0的数据线上需要具有快速钳位和恢复响应的极低电容ESD器件。

USB 3.0通过两个部件提供电源：一个标准的主机（A型连接器）以及一种新型供电设备（Powered-B连接器）。最新SuperSpeed规范提高了可供给USB设备的电流总量（从0.5A提高到0.9A）。新的Powered-B连接器允许一个USB设备以高达1.0A的电流给另一设备充电。由于过流状态会影响电源总线，所有的电源（如主机、集线器和Powered-B设备）都必须提供过流保护。过流保护也是UL60950标准所要求的。

最后，USB 3.0定义了一种新的Powered-B连接器，其主要的好处是更好的便携性。Powered-B连接器允许去除USB电缆和额外的电源。使用 Powered-B连接器的USB设备现在可为另一USB设备供电。通过提供两个额外的接插口，新的连接器可使一个电源（带有Powered-B连接器插座）能向另一设备（带B型供电连接器插头）提供高达1000mA的电流。例如，一台打印机可给一台无线适配器供电，从而无需一条有线USB连接。

在所有这些应用中，高分子聚合物正温度系数器件（PPTC）为USB过流保护提供了最具性价比的解决方案。PPTC器件可用于USB 3.0主机应用、USB 3.0集线器应用、USB充电器应用，以及USB 3.0 Powered-B连接器应用中的电流限流保护。在USB电源的VBUS端口安装的PPTC PolySwitch器件可在短路时限流，防止因下游电路突然短路造成的过流损坏，并有助于实现UL60950标准。

USB电源端口上的过压保护

尽管USB定义了电源总线，但这并没有消除与过压相关的风险。过压事件可由一系列失效条件导致，包括用户错误、稳压很差的第三方电源、热拔出事件和电感瞬变等。接口和充电系统也会产生负电压，这会导致未受保护的外部设备受损。尽管USB 2.0 电源的标称误差为5V±5%，但许多采用USB 2.0接口的大规模系统仍被设计成可承受16V甚至28V电压（连续）。

由于USB 3.0提高了正常工作电流及其上限，因此，针对传统0.5A 端口设计的过压保护器件可能就不太适合用于保护新的每端口0.9A的USB 3.0接口。当一个0.9A主机拔出时，高压感应尖峰就会产生，它可能会损坏总线上的其它设备。一个设计良好的总线将能吸收这些尖峰电压，从而保护设备免受尖峰电压的损害。

泰科电子的内部测试显示，热插拔引起的瞬态电压尽管非常短暂，但电压值可超过16～24V。内部测试还发现，开路电压大幅超过USB规范要求（5V±5%）的第三方充电器，可能对敏感的电子设备构成威胁。将过压保护器件（如PolyZen聚合物保护齐纳二极管器件）放置在所有USB供电设备的电源输入端（特别是在VBUS端口），有助于保护设备免遭过压事件造成的损坏。

对于USB 3.0设备，PolyZen器件可安装在USB输入端口的VBUS上、Powered-B插头的DPWR端口、桶形插座电源端口、以及USB集线器的VBUS输入端。

图2显示了如何在VBUS上安装PolyZen器件以及在一个典型USB电路上安装6个低电容值Leiditech ESD器件，才能帮助提供综合过压保护方案。

图2：综合的设备侧过压保护解决方案。

ESD保护

瞬态过压经常是由ESD引起的，它可能会出现在电源总线和数据线上。尽管现代IC可对抗高达2000V的高压，但人体很容易产生出高达25000V的静电。在I/O端口保护应用中，数据线上的ESD器件必须具备以下特性：快速箝位、快速恢复响应和极低电容值。

现有的USB 2.0协议允许高达480Mbps的数据传输速率，并支持即插即用、热插拔安装和运行。与之相比，USB 3.0规范允许高达5Gbps的数据传输速率，并向后支持较低速的USB 2.0规范。

USB 3.0增加了4个接到连接器的新引脚，以支持新的SuperSpeed接口：USB3_TX（差分对）和USB3_RX（差分对）。

USB 3.0的SuperSpeed接口与USB 2.0相比，要求更低电容值的ESD保护器件。增加极低电容值的Leiditech ESD器件可以帮助最小化插入损耗，以满足USB 3.0的眼图要求。凭借0.2pF的典型电容值和大于6GHz的平坦插损区域，Leiditech ESD器件能够支持USB 3.0应用的要求，并处理大量ESD瞬态电压冲击。

与大多数传统的MLV或TVS二极管技术相比，Leiditech ESD器件可提供更低的电容值，而且其低触发和低箝位电压也有助于保护敏感的电子元件。Leiditech ESD器件适用于USB 2.0高速D+和D-信号线以Leiditech ESD 3.0 SuperSpeed信号线的ESD保护。在电路保护方案中增加Leiditech ESD器件可提升保护级别，从而满足IEC61000-4-2规范要求。该规范规定接触模式的ESD测试标准是8kV/15kV,空气放电模式的ESD测试标准是15kV/25kV 。

图3：一个综合的USB 3.0电路保护方案。

综合电路保护方案

在USB应用中，一个综合保护方案可用来增强对高电流、高电压和ESD瞬态电压冲击的保护。图3和4显示了适用于USB 3.0连接器设计的电路保护器件。

图4：针对USB 3.0应用中最新连接器的综合电路保护方案。

器件推荐

PPTC 过流保护器件可帮助设计师满足USB 3.0规范的新的大电流要求，并提供一种简单的、节省空间的限流解决方案。Leiditech ESD器件可提供高速数据传输应用所需的低电容值（典型值0.2pF），并可提供目前电子工业最流行的外形尺寸。PolyZen器件既可为设计师提供传统箝位二极管的简单性，又消除了持续过压所需的大型散热片。该器件可保护设备免受因使用不正确的电源、瞬态电压和其它因用户错误而引起的损害。