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(shè)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(guī)定的單一負載工作電流，由USB2.0規(guī)范的100mA提升為150mA。
一臺USB3.0電子設(shè)備最多可以驅(qū)動6臺USB裝置(標(biāo)準(zhǔn)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。
深圳市集電通實業(yè)有限公司專業(yè)生產(chǎn)自恢復(fù)保險絲，并指出協(xié)同電路保護方案將有助于在USB3.0應(yīng)用中防止因過中大電流、過高電壓和ESD瞬態(tài)電壓而受損。
在過流保護方面，USB3.0通過兩類器件供電，即標(biāo)準(zhǔn)主控設(shè)備(A型連接器)和新型供電設(shè)備(Powered-B連接器)。新的規(guī)范提高了流向USB設(shè)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(shè)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(guān)閱讀：自恢復(fù)保險絲在USB3.0接口的保護應(yīng)用）
USB3.0標(biāo)準(zhǔn)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(fā)生故障時在60s內(nèi)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(yīng)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(wěn)壓電源、逆向電壓或電壓瞬態(tài)。
在USB電壓源上（VBUS）串聯(lián)萬瑞和過流/過壓協(xié)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(xiàn)協(xié)同的過流/過壓保護方案。
在過壓保護方面，USB3.0新規(guī)范的出臺將使傳統(tǒng)0.5A端口設(shè)計的過壓保護器件不再適用。如果一臺0.9A主機斷開，將產(chǎn)生高感應(yīng)電壓尖峰，這會對仍然留在總線上的設(shè)備造成負面影響。
各種接口和充電系統(tǒng)都會因為使用不正確充電器、穩(wěn)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(shè)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(nèi)部關(guān)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(nèi)部測試表明，帶電熱插拔時所引起的瞬態(tài)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(shè)備電源輸入端口進行過壓保護。”
在所有USB受電設(shè)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(tài)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(tài)往往是ESD造成的，電源總線和數(shù)據(jù)總線上都可能出現(xiàn)?，F(xiàn)有USB2.0協(xié)議支持最高480Mbps的數(shù)據(jù)傳輸速率，而USB3.0規(guī)范支持的數(shù)據(jù)傳輸速率高達5Gbps，因此USB3.0的數(shù)據(jù)線上需要具有快速鉗位和恢復(fù)響應(yīng)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。