基于USB3.0電路可靠性的PTC/ESD方案

　　肩負(fù)USB 3.0埠保護(hù)重任 PTC選用規(guī)格大有學(xué)問(wèn)

　　圖2所示為用于多埠集線器配置的PTC解決方案，表1則顯示推薦的單一埠和兩個(gè)埠中聯(lián)動(dòng)的PTC元件，并針對(duì)新的USB電池充電規(guī)范1.2版列出所需的PTC方案。

　　圖2 USB 3.0多埠集線器配置架構(gòu)圖

　　在選擇PTC做為USB埠保護(hù)時(shí)，還須考慮幾個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，包括最大電流須支援900毫安培、PTC位置的工作溫度、觸發(fā)速度和直流電阻等。表1中所有PTC都能保護(hù)最大電流為900毫安培的USB 3.0埠，就算最高工作溫達(dá)60℃也不會(huì)跳閘。

　　由于溫度變化急劇可能使PTC的觸發(fā)速率下降，所以這也是PTC選擇過(guò)程中的一個(gè)重要方面，設(shè)計(jì)師選擇PTC時(shí)應(yīng)考慮不相容的USB 3.0設(shè)備，且負(fù)載900毫安培電流的情況，使PTC在最高工作溫度下有超過(guò)900毫安培的最大可用電流，否則，PTC可能會(huì)錯(cuò)誤觸發(fā)。

　　每個(gè)PTC也要在電流8安培的時(shí)候，以小于5秒的速度進(jìn)行短路故障觸發(fā)，因此符合UL60950-1有限電源規(guī)范以及把USB 3.0規(guī)范中電流限制在5安培是很重要的。

　　選擇最合適的PTC最后的關(guān)鍵參數(shù)是直流電阻。由于USB 3.0現(xiàn)在提供最大電流為900毫安培，所以電路中的功耗須進(jìn)一步降低，此外，電源匯流排兩端元件的電壓降也須縮小，特別當(dāng)是該電路電阻預(yù)算很吃緊的時(shí)候。

　　整體而言，選擇PTC的主要目標(biāo)是確保電流設(shè)備在最高溫度下能承受至少900毫安培電流。以設(shè)定60℃為最糟糕的設(shè)計(jì)溫度情況為例，單埠應(yīng)用應(yīng)選擇最小尺寸且可支持最大所需電流0.95安培的方案，如表1中的第一個(gè)方案。若使用一個(gè)PTC保護(hù)兩個(gè)USB 3.0埠，表1中第三個(gè)方案是一個(gè)不錯(cuò)的選擇，因?yàn)樗?0℃時(shí)可保持2.19安培電流，滿足各方面的安全考慮。

　　增強(qiáng)USB 3.0電路保護(hù) 外掛ESD元件勢(shì)在必行

　　USB 3.0增加的資料線因提供更多電氣瞬變的可能入口通道，也將承受更大的ESD威脅。盡管現(xiàn)代晶片往往都有受到一定程度的ESD自我保護(hù)功能（通常在500~2kV的范圍內(nèi)），但對(duì)USB 3.0電路而言仍是不足的，因此須導(dǎo)入額外的ESD保護(hù)元件。

　　靜電防護(hù)水準(zhǔn)的等級(jí)系根據(jù)有1,500歐姆（Ω）放電電阻的MIL-STD HBM模型分級(jí)。MIL-STD模型中，以一個(gè)2kV的脈沖相當(dāng)于有著330歐姆放電電阻，且電壓為500伏特的IEC 61000-4-2模型為基礎(chǔ)（圖3），目前人體放電模式（HBM）可用脈沖在相同的瞬態(tài)電壓是IEC模型可用的四分之一。發(fā)生靜電放電事故時(shí)，電壓往往高達(dá)15kV甚至更高，將導(dǎo)致軟體故障、電路潛在損害或?yàn)?zāi)難性故障，因此，額外的ESD保護(hù)是提高現(xiàn)代介面埠生存能力的必要條件。

　　圖3 IEC 61000-4-2 ESD電流波形

　　為確定外部ESD事故預(yù)防系統(tǒng)，業(yè)界已開發(fā)出幾個(gè)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，其中，IEC 61000-4-2條款受到最廣泛的認(rèn)可；該標(biāo)準(zhǔn)定義ESD在不同的環(huán)境和安裝條件中的測(cè)試規(guī)范，如今的USB 3.0埠在此規(guī)范下，須承受至少8kV接觸放電，達(dá)到IEC 61000-4-2條款第四級(jí)的要求。