如何使用PPTC設(shè)計USB接口的電路保護(hù)

PPTC（聚正溫度系數(shù)）裝置是對電腦及有關(guān)裝置提供電流過載保護(hù)的一種既可靠又經(jīng)濟(jì)的解決方案。由于這種裝置設(shè)有各種尺寸和功率范圍，讓電路設(shè)計者可以選擇最合適的款式以滿足電路設(shè)計和USB規(guī)范的需求。

現(xiàn)時的USB技術(shù)使得各種能夠自行識別的外部設(shè)備與電腦聯(lián)接，并自行裝載驅(qū)動程序以運(yùn)行新的裝置。而一般即插即用裝置，需要有電源的USB接口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸并提供電源。當(dāng)發(fā)生短路或連接了受損設(shè)備時，如受損的電纜或聯(lián)接頭插入USB接口時，必須對USB集線器及主機(jī)裝置提供有效保護(hù)。由于這種情況在PC或集線器的使用過程中經(jīng)常發(fā)生，USB規(guī)范中要求對裝置進(jìn)行可復(fù)式電流過載保護(hù)，特別指出“PPTCs”是理想的保護(hù)技術(shù)。

USB裝置可歸類為向USB提供額外聯(lián)接點的集線器，或是為系統(tǒng)提供其它功能的功能模塊（例如數(shù)控操縱桿）。集線器裝置還可進(jìn)一步分為總線供電和自供電兩種。

總線供電集線器從USB連接頭的電源插腳取得所有內(nèi)部功能模塊和后續(xù)接口所需的電源。集線器從前級的裝置中可獲取高達(dá)500毫安的電流。而有源總線集線器的外接口每個可獲得高達(dá)100毫安電流，最多可有4個外接口。

自供電集線器用于內(nèi)部功能和后續(xù)接口的電源并不是來自USB接口，盡管前級的USB接口能夠提供100mA的電流并使得當(dāng)集線器發(fā)生斷電時，界面仍然能夠正常運(yùn)行。集線器必須能夠為所有後級聯(lián)接上提供高達(dá)500毫安電流。

USB規(guī)范對電流過載保護(hù)的要求如下：

* 為安全起見，主機(jī)和自供電集線器必須提供電流過載保護(hù)。

* 集線器必須設(shè)有對電流過載檢測并且能夠?qū)z測結(jié)果傳達(dá)給USB軟件。

* 如果由于一批后續(xù)接口取電而導(dǎo)致整體電流超過預(yù)設(shè)定值，電流過載保護(hù)電路必須要能夠消除或減少所有受影響的后續(xù)接口的電源。

* 電流過載跳閘點不能超過5.0安培，而且必須高於最大允許的接口電流，使得瞬間電流（例如，電源打開或動態(tài)聯(lián)接或重新配置時）不會導(dǎo)致電流過載保護(hù)器跳閘。

USB規(guī)范要求可以有獨立或集合兩種電流保護(hù)方案。使用PolySwitch分別保護(hù)獨立接口， 能對后續(xù)電源聯(lián)接提供有效的保護(hù)設(shè)計。當(dāng)某個接口發(fā)生故障，該接口的PolySwitch裝置跳閘，相鄰的接口仍能夠正常運(yùn)行。獨立接口保護(hù)也使得設(shè)計者選擇較輕巧、反應(yīng)較為迅速的裝置。

圖1是獨立接口保護(hù)的基本電路及電流過載報告電路。在正常情況下，PolySwitch裝置的后續(xù)設(shè)備電壓（Va）約為5V。在發(fā)生故障時，Va會趺至低于1V。

為了減小USB電纜上的EMI輻射，通常在Vcc插腳都串接有鐵氧體磁環(huán)。磁環(huán)的串聯(lián)阻抗以及RF阻尼是重要的依據(jù)。選擇“導(dǎo)線加磁環(huán)”的配置主要是由于它具有較低的直流串接阻抗。而“電容器輸出”的布局，在串接磁環(huán)后面再并聯(lián)輸出電容器，是使后續(xù)接口發(fā)揮優(yōu)良電流特性的理想布局。

圖1. 獨立接口保護(hù)電路低壓觸發(fā)電流過載插腳故障報告

電路板布局考慮

為了達(dá)到USB1.1和USB2.0中有關(guān)電壓降、電流以及EMI輻射的規(guī)范要求，可按照下面的指引設(shè)定PCB布局：

* 所有正電源線布線應(yīng)盡可能短并至少應(yīng)用50-mil或1-ounce的銅線。

* 盡可能避免過孔布線，如果不可避免，需將布線適當(dāng)加粗。

* 如果使用電源總線開關(guān)，將它放置靠近USB連接頭。

* 如有可能，分開火線和地線層次。

* 如使用多層板，將開關(guān)部分（后續(xù)電路）和非開關(guān)部分（邏輯電路或前級電路）分開。