USB 3.0 電路保護

　　摘要：USB 3.0接口設備集合了通信速度為5Gbps的四個額外的數據通道，而且電源總線也有著高達900mA的最大輸出電流。這些新的USB 3.0規格加上集成芯片幾何 尺寸的不斷縮小，使得預防電氣瞬變和過流故障也變 得更重要復雜。即使是很小的靜電放電(ESD)和短路事故帶來的危害也相比更大。寄生電容， 低鉗位電壓和低電阻成為電路保護元件選擇中的關鍵指標。

　　USB 3.0接口設備集合了通信速度為5Gbps的四個額外的數據通道，而且電源總線也有著高達900mA的最大輸出電流。這些新的USB 3.0規格加上集成芯片幾何尺寸的不斷縮小，使得預防電氣瞬變和過流故障也變得更重要復雜。即使是很小的靜電放電(ESD)和短路事故帶來的危害也相比更大。

　　更強的生產能力，更敏銳的芯片靈敏度，以及信號完整性和系統的可靠性都應該是系統設計人員非常關注的事情。寄生電容，低鉗位電壓和低電阻成為電路保護元件選擇中的關鍵指標。由于電源線可用允許更大的電流通過，電流保護器可以有較低的電阻在確保低壓降方面也變得至關重要。一項成功設計的關鍵是要明白關鍵選擇標準和保護技術(PTC電阻，壓敏電阻，聚合物和硅為原料的設備)之間的優化權衡。本應用筆記詳細解釋了需要考慮的因素和問題。

　　USB 3.0 的工作特性

　　通用串行總線(USB)標準是一套電子系統之間高速有線通信的接口規范。USB 3.0標準規定了數據傳輸速度的提高，輸出功率的增加并保持和USB 2.0設備向后兼容。

　　從USB 2.0到USB 3.0最重要的物理變化是稱為SSRX+ / SSRX和SSTx+ / SSTx的兩個差分數據的引進，并且他們保持著和現有的D-/ D+數據總線并列運行。這允許了數據全雙工同時傳輸，而USB 2.0總線只能單個雙工傳輸。

　　USB3.0還包括把電源總線上的電流從500mA增加到900mA，這樣也就擴大了為外部設備供電的選擇余地，不再需要額外的電源了。

　　USB 3.0電路保護所面臨的挑戰

　　前幾代USB使用的ESD靜電保護以不足以保護USB 3.0，因為USB 3.0的數據傳輸速率已升至5Gbps和通道電容為支持新的數據傳輸速率也下降了。設計師們面臨的挑戰是要找到電壓瞬態保護更好的解決方案，使敏感數據線在沒有增加信號畸變電容的情況下也能得以保護。

　　引進的額外的差分數據對需要更多的數據線得到防靜電保護，過去分離器件的保護解決方案是保護每個單獨的數據線，這可能不是理想的解決方案了。直接放在數據對中的新半導體陣列ESD保護裝置，不僅保護了傳統的USB 2.0數據線，而且也保護了這些額外的數據信號對。

　　對于過電流保護，USB3.0規范第11.4.1.1.1規定：(1)為了安全起見，主機和所有自供電集線器必須實現過電流保護，該集線器必須具有一種方法來檢測過電流情況，并將其報告至USB軟件。(2)過電流限制機制必須在無需用戶干預的前提下自行復位。聚合物PTC和固態開關就是可以用于過電流限制的方法。

　　按照UL60950-1標準的一些要求，可能還需要過電流保護。

　　過電流保護

　　USB總線收發器IC(集成電路)或電源管理IC可有一些電流限制功能，但是，當在IC不包括含電流限制功能或附加的保護是必需時，電路設計人員必須為電源總線設計電流限制PTC。

　　在電源總線上(參見圖7)安裝的聚合物PTC器件可以在短路的情況下限制電流，并防止由突然的短路引起的過電流損壞。它也可以幫助實現UL60950-1標準中第2.5節(有限電源，表2B)的規定，其中規定必須限制短路電流在5秒內小于8A。

　　相關的USB集線器應用程序和USB 3.0的過電流保護規范如11.4.1.1.1條中陳述：如果下行端口的總電流超過預定值時，過電流保護電路可以消除或減少所受影響的下行端口的功率。預設值不能超過5.0A，而且必須足夠大于所允許的最大端口電流或時間延遲的瞬態電流(例如，開機，動態連接或重新配置時)可以受到過電流保護。　　

 

　　圖2示出了用于多端口集線器配置的PTC解決方案。對于單端口配置，見圖7和圖8本文檔中的其他地方。

　　圖3顯示了推薦的單一端口和兩個端口中聯動的配置的PTC器件。我們還確定了新USB電池充電規范1.2版的PTC的解決方案。

　　在選擇PTC為作為USB端口保護時，需要考慮幾個關鍵參數：(1)目前最大端口(USB 3.0為900毫安);(2)PTC位置的工作溫度;(3)觸發速度;(4)直流電阻。