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确保USB3.0电路可靠性 选对PTC/ESD方案是关键

时间:09-28 来源:互联网 点击:

USB 3.0传输速率高达5Gbit/s,且电源汇流排也有高达900毫安培的最大输出电流,因此电路电气瞬变和过流故障的预防极为重要,设计人员必须慎选适当的热敏电阻(PTC)和静电放电(ESD)方案,才能确保讯号完整性,并降低系统故障风险。

  通用序列汇流排(USB)规范自1996年发布以来,截至2012年为止已累积超过三十五亿个电脑周边设备的USB连接装置出货量。2010年,当第一批支援USB 3.0规格的装置上市,销售量就达到约一百万个,2012年更一举增长至五百万个左右,足见其市场成长相当迅速。

  相较于USB 2.0,USB 3.0拥有四个额外数据通道,传输速率高达5Gbit/s(图1),而且电源汇流排也有高达900毫安培(mA)的最大输出电流,这些新规格加上晶片尺寸不断缩小,使得预防电路电气瞬变和过流故障的问题变得更加重要且复杂,因为高速传输下,即使只是很小的静电放电(ESD)和短路事故,都将为系统带来严重危害。

  

  图1 USB 3.0增加双差分数据对,藉以达成5Gbit/s高速传输速率。

  由于晶片灵敏度、讯号完整性和系统可靠性都是系统设计人员非常关注的事情,因此USB 3.0系统上的寄生电容、低箝位电压和低电阻都成为电路保护元件选择的关键指标。由于USB 3.0电源线可允许更大电流通过,电流保护器可有较低的电阻,在确保低压降方面也变得至关重要。一项成功设计的关键是要掌握保护技术,如热敏电阻 (PTC)、压敏电阻和ESD方案等,本文将详细解释须考虑的设计因素。

  USB 3.0飙高速 电路保护挑战更艰钜

  USB 2.0到USB 3.0最重要的物理变化是引进SSRX+/SSRX和SSTx+/SSTx两个差分数据,并维持和现有D-/D+资料汇流排并列运行的模式,这允许资料全双工同时传输,改进USB 2.0汇流排只能单个双工传输的问题。此外,USB 3.0还将电源汇流排上的电流从500毫安培增加到900毫安培,扩增外部设备供电的选择,不再需要额外电源配套方案。

  由于USB 3.0引进额外的差分数据,引发更多ESD防护需求,过去以分离元件保护每个单独资料线的方式已不足以保护其电路,工程师面临的挑战是要找到更好的ESD 和电压瞬态保护方案,使敏感性资料线在没有增加讯号畸变电容的情况下也能得以保护。现阶段,业界大多采直接放在资料对中的新半导体阵列ESD保护装置,同时保护传统USB 2.0资料线,以及USB 3.0额外的资料线。

  与此同时,USB 3.0规范第11.4.1.1.1中规定,为安全起见,主机和所有自供电集线器须实现过电流保护,该集线器须检测过电流情况,并将其报告至USB控制软体。过电流限制机制须在毋须用户干预的前提下自行复位,聚合物PTC和固态开关就可用于过电流限制的方法之一。

  根据UL60950-1标准要求,USB 3.0可能还需要其他过电流保护功能,USB汇流排收发器晶片或电源管理晶片虽已提供部分电流限制功能,但是当晶片不包含电流限制或附加保护功能时,电路设计人员须为电源汇流排设计电流限制PTC。

  在电源汇流排上安装聚合物PTC可在短路的情况下限制电流,并防止由突然的短路引起的过电流损坏,还可帮助实现UL60950-1标准中第2.5节(有限电源,表2B)的规定,限制短路电流在5秒内小于8安培。

  相关的USB集线器应用程式和USB 3.0的过电流保护规范如11.4.1.1.1条中陈述,如果下行埠的总电流超过预定值时,过电流保护电路可消除或减少所受影响的下行埠功率。预设值不能超过5安培,且须足够大于所允许的最大埠电流或时间延迟的瞬态电流(例如开机、动态连接或重新配置时),达成过电流保护。

  肩负USB 3.0埠保护重任 PTC选用规格大有学问

  图2所示为用于多埠集线器配置的PTC解决方案,表1则显示推荐的单一埠和两个埠中联动的PTC元件,并针对新的USB电池充电规范1.2版列出所需的PTC方案。< /P>

  

  图2 USB 3.0多埠集线器配置架构图

  

  在选择PTC做为USB埠保护时,还须考虑几个关键参数,包括最大电流须支援900毫安培、PTC位置的工作温度、触发速度和直流电阻等。表1中所有PTC都能保护最大电流为900毫安培的USB 3.0埠,就算最高工作温达60℃也不会跳闸。

  由于温度变化急剧可能使PTC的触发速率下降,所以这也是PTC选择过程中的一个重要方面,设计师选择PTC时应考虑不相容的USB 3.0设备,且负载900毫安培电流的情况,使PTC在最高工作温度下有超过900毫安培的最大可用电流,否则,PTC可能会错误触发。

  每个PTC也要在电流8安培的时候,以小于5秒的速度进行短路故障触发,因此符合UL60950-1有限电源规范以及把USB 3.0规范中电流限制在5安培是很重要的。

选择最合适的PTC最后的关键参数是直流电阻。由于USB 3.0现在提供最大电流为900毫安培,所以电路中的功耗

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