USB 3.0 电路保护

　　摘要：USB 3.0接口设备集合了通信速度为5Gbps的四个额外的数据通道，而且电源总线也有着高达900mA的最大输出电流。这些新的USB 3.0规格加上集成芯片几何 尺寸的不断缩小，使得预防电气瞬变和过流故障也变 得更重要复杂。即使是很小的静电放电(ESD)和短路事故带来的危害也相比更大。寄生电容， 低钳位电压和低电阻成为电路保护元件选择中的关键指标。

　　USB 3.0接口设备集合了通信速度为5Gbps的四个额外的数据通道，而且电源总线也有着高达900mA的最大输出电流。这些新的USB 3.0规格加上集成芯片几何尺寸的不断缩小，使得预防电气瞬变和过流故障也变得更重要复杂。即使是很小的静电放电(ESD)和短路事故带来的危害也相比更大。

　　更强的生产能力，更敏锐的芯片灵敏度，以及信号完整性和系统的可靠性都应该是系统设计人员非常关注的事情。寄生电容，低钳位电压和低电阻成为电路保护元件选择中的关键指标。由于电源线可用允许更大的电流通过，电流保护器可以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明白关键选择标准和保护技术(PTC电阻，压敏电阻，聚合物和硅为原料的设备)之间的优化权衡。本应用笔记详细解释了需要考虑的因素和问题。

　　USB 3.0 的工作特性

　　通用串行总线(USB)标准是一套电子系统之间高速有线通信的接口规范。USB 3.0标准规定了数据传输速度的提高，输出功率的增加并保持和USB 2.0设备向后兼容。

　　从USB 2.0到USB 3.0最重要的物理变化是称为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。这允许了数据全双工同时传输，而USB 2.0总线只能单个双工传输。

　　USB3.0还包括把电源总线上的电流从500mA增加到900mA，这样也就扩大了为外部设备供电的选择余地，不再需要额外的电源了。

　　USB 3.0电路保护所面临的挑战

　　前几代USB使用的ESD静电保护以不足以保护USB 3.0，因为USB 3.0的数据传输速率已升至5Gbps和通道电容为支持新的数据传输速率也下降了。设计师们面临的挑战是要找到电压瞬态保护更好的解决方案，使敏感数据线在没有增加信号畸变电容的情况下也能得以保护。

　　引进的额外的差分数据对需要更多的数据线得到防静电保护，过去分离器件的保护解决方案是保护每个单独的数据线，这可能不是理想的解决方案了。直接放在数据对中的新半导体阵列ESD保护装置，不仅保护了传统的USB 2.0数据线，而且也保护了这些额外的数据信号对。

　　对于过电流保护，USB3.0规范第11.4.1.1.1规定：(1)为了安全起见，主机和所有自供电集线器必须实现过电流保护，该集线器必须具有一种方法来检测过电流情况，并将其报告至USB软件。(2)过电流限制机制必须在无需用户干预的前提下自行复位。聚合物PTC和固态开关就是可以用于过电流限制的方法。

　　按照UL60950-1标准的一些要求，可能还需要过电流保护。

　　过电流保护

　　USB总线收发器IC(集成电路)或电源管理IC可有一些电流限制功能，但是，当在IC不包括含电流限制功能或附加的保护是必需时，电路设计人员必须为电源总线设计电流限制PTC。

　　在电源总线上(参见图7)安装的聚合物PTC器件可以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。它也可以帮助实现UL60950-1标准中第2.5节(有限电源，表2B)的规定，其中规定必须限制短路电流在5秒内小于8A。

　　相关的USB集线器应用程序和USB 3.0的过电流保护规范如11.4.1.1.1条中陈述：如果下行端口的总电流超过预定值时，过电流保护电路可以消除或减少所受影响的下行端口的功率。预设值不能超过5.0A，而且必须足够大于所允许的最大端口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)可以受到过电流保护。　　

 

　　图2示出了用于多端口集线器配置的PTC解决方案。对于单端口配置，见图7和图8本文档中的其他地方。

　　图3显示了推荐的单一端口和两个端口中联动的配置的PTC器件。我们还确定了新USB电池充电规范1.2版的PTC的解决方案。

　　在选择PTC为作为USB端口保护时，需要考虑几个关键参数：(1)目前最大端口(USB 3.0为900毫安);(2)PTC位置的工作温度;(3)触发速度;(4)直流电阻。