基于USB3.0电路可靠性的PTC/ESD方案

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。


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，所以电路中的功耗须进一步降低，此外，电源汇流排两端元件的电压降也须缩小，特别当是该电路电阻预算很吃紧的时候。

整体而言，选择PTC的主要目标是确保电流设备在最高温度下能承受至少900毫安培电流。以设定60℃为最糟糕的设计温度情况为例，单埠应用应选择最小尺寸且可支持最大所需电流0.95安培的方案，如表1中的第一个方案。若使用一个PTC保护两个USB 3.0埠，表1中第三个方案是一个不错的选择，因为它在60℃时可保持2.19安培电流，满足各方面的安全考虑。