基于USB3.0电路可靠性的PTC/ESD方案

　　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。

　　增强USB 3.0电路保护 外挂ESD元件势在必行

　　USB 3.0增加的资料线因提供更多电气瞬变的可能入口通道，也将承受更大的ESD威胁。尽管现代晶片往往都有受到一定程度的ESD自我保护功能（通常在500~2kV的范围内），但对USB 3.0电路而言仍是不足的，因此须导入额外的ESD保护元件。

　　静电防护水准的等级系根据有1,500欧姆（Ω）放电电阻的MIL-STD HBM模型分级。MIL-STD模型中，以一个2kV的脉冲相当于有着330欧姆放电电阻，且电压为500伏特的IEC 61000-4-2模型为基础（图3），目前人体放电模式（HBM）可用脉冲在相同的瞬态电压是IEC模型可用的四分之一。发生静电放电事故时，电压往往高达15kV甚至更高，将导致软体故障、电路潜在损害或灾难性故障，因此，额外的ESD保护是提高现代介面埠生存能力的必要条件。

　　图3 IEC 61000-4-2 ESD电流波形

　　为确定外部ESD事故预防系统，业界已开发出几个测试标准，其中，IEC 61000-4-2条款受到最广泛的认可；该标准定义ESD在不同的环境和安装条件中的测试规范，如今的USB 3.0埠在此规范下，须承受至少8kV接触放电，达到IEC 61000-4-2条款第四级的要求。