USB 3.0的电路保护方案 - 通信/网络 - 电子工程师俱乐部

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最新USB 3.0协议(或 “SuperSpeed USB”)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。最显著的变化是，4条附加的铜数据线被平行地增加到现有的USB2.0总线中(如图1所示)。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(静电放电)和其它有害的瞬态电压。


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2010-3-25 19:35:34 上传
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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。

<strong>过流保护</strong>

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。

与USB 2.0类似，所有类型的USB 3.0 主机必须提供电源。USB 3.0 的单个单元负载重定义为150mA，比USB 2.0的100mA略有增加。现在，一个USB 3.0主机必须能够每端口支持多达6个单元(900mA)。此外，USB 3.0集线器可能不再需要总线供电了。所有USB 3.0集线器现在必须每个端口都能够支持900mA的电流。

此外，支持USB充电和USB 3.0的系统需要能承受更高电流的过流保护器件。USB充电器规范采用与USB 2.0相同的引脚配置，但允许更高的电流(每端口高达1.5A)。

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。

<strong>USB电源端口上的过压保护</strong>

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。

必须注意，USB 3.0 不再支持总线供电集线器而仅支持自供电集线器。在USB 3.0应用中，需要一个电源来为集线器的所有端口供电。如果在集线器的输入端使用一个直流电源连接器，那么就必须安装一个电路保护器件来保护集线器免受过压事件的损害，如未稳流或错误电源、反向电压和瞬态电压。

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 PESD器件，才能帮助提供综合过压保护方案。


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图2：综合的设备侧过压保护解决方案。

<strong>ESD保护</strong>

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PESD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，PESD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(多层变阻器)或TVS(瞬态电压抑制器)二极管技术相比，PESD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。PESD器件适用于USB 2.0高速D+和D-信号线以及USB 3.0 SuperSpeed信号线的ESD保护。在电路保护方案中增加PESD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(典型)/15kV(最大)，空气放电模式的ESD测试标准是15kV(典型)/25kV(最大) 。


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图3：一个综合的USB 3.0电路保护方案。

<strong>综合电路保护方案</strong>

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和Powered-B连接器设计的电路保护器件。


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图 4：针对USB 3.0 应用中最新Powered-B连接器的综合电路保护方案。

<strong>器件推荐</strong>

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。PESD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。

作者：泰科电子瑞侃电路保护部 技术市场及产品应用工程师 Kedar Bhatawadekar