USB3.0电路保护探讨

USB3.0作为新一代的USB接口，特点是传输速率非常快，理论上可达到5Gbps，比常见的USB 2.0（480Mbps High Speed USB）快近10倍。外形和普通的的USB接口基本一致，能兼容USB2.0和USB1.1设备。由下图1：USB3.0线缆结构图可以发现，从USB2.0到USB3.0最重要的物理变化就是称为SSRX+ / SSRX-和SSTX+ / SSTX-的两个差分数据的引进，并且他们保持着和现有的D-/ D+数据总线并列运行。这就允许了数据全双工同时传输，而USB2.0总线只能进行单个双工传输。


图1：USB3.0线缆结构图

USB3.0过电流保护

从新的USB3.0规范可以发现，其要求接口支持的电流能力已经从500mA提升到了900mA。如此高的电流很容易造成外界电子设备的损坏。因此，新的USB3.0电路的过电流保护能力也必须随之做出相应的提升以满足应用之需求。查看USB3.0相关规范，其中已有明确要求使用限电流组件作为电源端之过电流保护，TE的高分子聚合物正温度系数热敏电阻(PPTC)恰为USB端口过电流保护提供了最具性价比的解决方案。其典型应用电路如下图2所示，在USB电源总线上添加的TE/PPTC器件可以在短路的情况下限制电流，并能防止由于突然的短路引起的过电流损坏。同时PPTC也可以帮助实现UL60950-1标准中关于有限电源的规定。


图2

下面就PPTC在USB3.0应用中的选型展开探讨如下：

选择PPTC为作为USB3.0端口保护时，通常需要从如下几个关键参数考虑：

(1) 端口最大电流(USB2.0 为0.5A/USB3.0为0.9A);
(2) PPTC工作位置的环境温度;
(3) PPTC动作响应时间要求.

以独立端口USB3.0过电流保护为例：根据上面第1点和第2点，假设USB3.0的极限最高工作温度为60度，则PPTC 选择时的主要考虑指标Ihold电流至少在高温60度大于等于0.9A，根据下图3/表S2：TE贴片类PPTC产品温度折减表，可以查得miniSMDC125F在60度条件下的保持电流刚好0.9A，但考虑电路设计需要留有一定余量，因此PPTC规格至少需选到常温1.5A，即miniSMDC150F是一个不错的选择。否则，PPTC有可能会因电流能力不够，提前触发导致电路工作异常。


图3：TE贴片类PPTC产品温度折减表

再来看下两端口组的应用情况，可以把两个端口(总输出1.8A)联系在一起，使用一个PPTC保护两个端口，选型考量同单独端口情况，则产品型号miniSMDC260F是一个不错的选择，其在60℃条件下的Ihold电流能力为2A。

再根据第3点之要求，参照下图4/S3：TE贴片类PPTC产品参数特性表，所选型号可满足在8A电流通过时动作时间小于5秒。考虑到实际发生短路故障触发时的电流更更高，则PPTC的响应时间会随之变短。正好可以符合UL60950 -1有限电源规范规定。


图4：TE贴片类PPTC产品参数特性表

USB3.0 过电压保护

通常过压事件是由一系列失效条件引发，如操作不当、使用不正规电源、热插拔等。考虑到USB3.0提高了正常工作电流及其上限，因此针对USB2.0端口设计的过压保护器件可能就不能满足于保护新的USB3.0端口。热插拔过程势必伴随着高压感应尖峰的产生，此尖峰极大可能损坏总线上的其它设备。因此，一个设计良好保护电路必须要能吸收此类尖峰电压，从而避免设备受尖峰电压导致的损害。基于TE内部实际测试，热插拔引起的瞬态电压尽管非常短暂，但电压峰值可能高达16～24V。如此高的电压极大可能造成后级敏感电子设备的损坏。

TE 在电路保护方面拥有着丰富的产品线，其独有的PolyZen器件，常被用于对USB外围设备和5V计算机总线上的器件进行过电压保护。该器件在保护后级敏感电子设备（对耐受电压要求较高的半导体器件）可起到很好的保护效果。其典型的故障响应曲线如下图5/图6所示意，可以发现其Vout始终保持在稳定状态.


图5


图6

PolyZen微组件的一大优点在于,齐纳二极管通过热连接至非线性高分子正温度系数电阻（PPTC）层。这个PPTC层全面集成到器件中，以串联的形式电连接在Vin与由二极管钳制的Vout之间。这个先进的PPTC层通过由低电阻状态切换为高电阻状态，从而对较长时间的二极管过热或者过电流事件做出相应。动作的PPTC会限制电流生成压降。这就有助于保护齐纳二极管及随后的电子设备，有效地提高了二极管的电源处理能力。

将TE/PolyZen器件放置在如下图7的USB供电设备的电源输入端VBUS端口，将特别有助于保护设备免受过压事件带来的损坏。


图7