適用于USB3.0接口的新電路保護方案
2017-05-11 09:40:01
lipscall
USB3.0提供更高的傳輸率、提高了最大總線功率和設備電流、提供全新的電源管理功能、以及向下兼容USB2.0的新型電纜和連接器。USB3.0規定的單一負載工作電流，由USB2.0規范的100mA提升為150mA。
一臺USB3.0電子設備最多可以驅動6臺USB裝置(標準連接器和微型連接器每端口最高900mA)。因此，USB3.0電流傳輸能力的提高對電路保護方案提出了新的要求。
在過流保護方面，USB3.0通過兩類器件供電，即標準主控設備(A型連接器)和新型供電設備(Powered-B連接器)。新的規范提高了流向USB設備的電流大小，從最大額定電流0.5A提高至0.9A。
Powered-B連接器可以通過從兩個額外連接器輸送最高1.0A的電流來對設備充電。由于過流條件會影響電源總線，因此所有功率源(如主機和集線器)都需要進行過流保護。（相關閱讀：自恢復保險絲在USB3.0接口的保護應用）
USB3.0標準保護方案必須支持每端口最小900mA的電流，過電流保護必須滿足發生故障時在60s內將故障電流限制在5A以下。
與USB2.0集線器可以通過總線供電不同，USB3.0將不會提供這種選擇，而只能通過自有電源供電。由于需要一個插孔端口對USB3.0集線器應用中的所有連接器供電，因此該插孔上需要使用電路保護器件防止因過壓事件受損，這類事件可能有非穩壓電源、逆向電壓或電壓瞬態。
在USB電壓源上（VBUS）串聯萬瑞和過流/過壓協同保護器件以及在該器件端口上安裝六個小電容PESD器件（靜電保護器）的方法，能夠幫助實現協同的過流/過壓保護方案。
在過壓保護方面，USB3.0新規范的出臺將使傳統0.5A端口設計的過壓保護器件不再適用。如果一臺0.9A主機斷開，將產生高感應電壓尖峰，這會對仍然留在總線上的設備造成負面影響。
各種接口和充電系統都會因為使用不正確充電器、穩壓不良的第三方充電器或者熱插拔事件而使便攜式電子設備面臨受損的危險。
研究指出“雖然主要的手機OEM廠商都有內部關于USB輸入口的過壓保護要求，以保證USB輸入端口可以承受16V到24V的電壓，但內部測試表明，帶電熱插拔時所引起的瞬態脈沖，盡管非常短仍然會超過上述的16-24V電壓。我們建議在所有USB設備電源輸入端口進行過壓保護。”
在所有USB受電設備，尤其是VBUS端口上安裝過壓保護器件可以有效防止因電壓瞬態而受損。對于USB3.0而言，PolyZen器件可酌情置于USB輸入端口、Power-B插頭和母插孔電源端口上。
過壓瞬態往往是ESD造成的，電源總線和數據總線上都可能出現。現有USB2.0協議支持最高480Mbps的數據傳輸速率，而USB3.0規范支持的數據傳輸速率高達5Gbps，因此USB3.0的數據線上需要具有快速鉗位和恢復響應的極低電容ESD器件。
針對USB3.0的ESD保護電路，集電通指出了三個主要的考慮因素：
一是為滿足要高速度/電容要求，USB3.0的接口需要比USB2.0電容更低的ESD保護，必須采用小于1pF的ESD元件，增加極低電容PESD器件可以減小插入損耗；
二是動作電壓的選用要與被保護IC芯片的ESD承受能力配合起來，還要考慮回路阻抗；
三是滿足空間要求，采用更小尺寸的保護元件，靈活布局。出于空間的考慮可以選擇貼片保險絲進行保護。