確保USB3.0電路可靠性 選對PTC/ESD方案是關(guān)鍵

　　USB 3.0傳輸速率高達(dá)5Gbit/s，且電源匯流排也有高達(dá)900毫安培的最大輸出電流，因此電路電氣瞬變和過流故障的預(yù)防極為重要，設(shè)計人員必須慎選適當(dāng)?shù)臒崦?a target="_blank">電阻（PTC）和靜電放電（ESD）方案，才能確保訊號完整性，并降低系統(tǒng)故障風(fēng)險。

　　通用序列匯流排（USB）規(guī)范自1996年發(fā)布以來，截至2012年為止已累積超過三十五億個電腦周邊設(shè)備的USB連接裝置出貨量。2010年，當(dāng)?shù)谝慌г甎SB 3.0規(guī)格的裝置上市，銷售量就達(dá)到約一百萬個，2012年更一舉增長至五百萬個左右，足見其市場成長相當(dāng)迅速。

　　相較于USB 2.0，USB 3.0擁有四個額外數(shù)據(jù)通道，傳輸速率高達(dá)5Gbit/s（圖1），而且電源匯流排也有高達(dá)900毫安培（mA）的最大輸出電流，這些新規(guī)格加上晶片尺寸不斷縮小，使得預(yù)防電路電氣瞬變和過流故障的問題變得更加重要且復(fù)雜，因為高速傳輸下，即使只是很小的靜電放電（ESD）和短路事故，都將為系統(tǒng)帶來嚴(yán)重危害。

　　圖1 USB 3.0增加雙差分?jǐn)?shù)據(jù)對，藉以達(dá)成5Gbit/s高速傳輸速率。

　　由于晶片靈敏度、訊號完整性和系統(tǒng)可靠性都是系統(tǒng)設(shè)計人員非常關(guān)注的事情，因此USB 3.0系統(tǒng)上的寄生電容、低箝位電壓和低電阻都成為電路保護元件選擇的關(guān)鍵指標(biāo)。由于USB 3.0電源線可允許更大電流通過，電流保護器可有較低的電阻，在確保低壓降方面也變得至關(guān)重要。一項成功設(shè)計的關(guān)鍵是要掌握保護技術(shù)，如熱敏電阻 （PTC）、壓敏電阻和ESD方案等，本文將詳細(xì)解釋須考慮的設(shè)計因素。

　　USB 3.0飆高速　電路保護挑戰(zhàn)更艱鉅

　　USB 2.0到USB 3.0最重要的物理變化是引進SSRX+/SSRX和SSTx+/SSTx兩個差分?jǐn)?shù)據(jù)，并維持和現(xiàn)有D-/D+資料匯流排并列運行的模式，這允許資料全雙工同時傳輸，改進USB 2.0匯流排只能單個雙工傳輸?shù)膯栴}。此外，USB 3.0還將電源匯流排上的電流從500毫安培增加到900毫安培，擴增外部設(shè)備供電的選擇，不再需要額外電源配套方案。

　　由于USB 3.0引進額外的差分?jǐn)?shù)據(jù)，引發(fā)更多ESD防護需求，過去以分離元件保護每個單獨資料線的方式已不足以保護其電路，工程師面臨的挑戰(zhàn)是要找到更好的ESD 和電壓瞬態(tài)保護方案，使敏感性資料線在沒有增加訊號畸變電容的情況下也能得以保護?，F(xiàn)階段，業(yè)界大多采直接放在資料對中的新半導(dǎo)體陣列ESD保護裝置，同時保護傳統(tǒng)USB 2.0資料線，以及USB 3.0額外的資料線。

　　與此同時，USB 3.0規(guī)范第11.4.1.1.1中規(guī)定，為安全起見，主機和所有自供電集線器須實現(xiàn)過電流保護，該集線器須檢測過電流情況，并將其報告至USB控制軟體。過電流限制機制須在毋須用戶干預(yù)的前提下自行復(fù)位，聚合物PTC和固態(tài)開關(guān)就可用于過電流限制的方法之一。

　　根據(jù)UL60950-1標(biāo)準(zhǔn)要求，USB 3.0可能還需要其他過電流保護功能，USB匯流排收發(fā)器晶片或電源管理晶片雖已提供部分電流限制功能，但是當(dāng)晶片不包含電流限制或附加保護功能時，電路設(shè)計人員須為電源匯流排設(shè)計電流限制PTC。

　　在電源匯流排上安裝聚合物PTC可在短路的情況下限制電流，并防止由突然的短路引起的過電流損壞，還可幫助實現(xiàn)UL60950-1標(biāo)準(zhǔn)中第2.5節(jié)（有限電源，表2B）的規(guī)定，限制短路電流在5秒內(nèi)小于8安培。

　　相關(guān)的USB集線器應(yīng)用程式和USB 3.0的過電流保護規(guī)范如11.4.1.1.1條中陳述，如果下行埠的總電流超過預(yù)定值時，過電流保護電路可消除或減少所受影響的下行埠功率。預(yù)設(shè)值不能超過5安培，且須足夠大于所允許的最大埠電流或時間延遲的瞬態(tài)電流（例如開機、動態(tài)連接或重新配置時），達(dá)成過電流保護。

　　肩負(fù)USB 3.0埠保護重任　PTC選用規(guī)格大有學(xué)問

　　圖2所示為用于多埠集線器配置的PTC解決方案，表1則顯示推薦的單一埠和兩個埠中聯(lián)動的PTC元件，并針對新的USB電池充電規(guī)范1.2版列出所需的PTC方案。

　　圖2 USB 3.0多埠集線器配置架構(gòu)圖

　　在選擇PTC做為USB埠保護時，還須考慮幾個關(guān)鍵參數(shù)，包括最大電流須支援900毫安培、PTC位置的工作溫度、觸發(fā)速度和直流電阻等。表1中所有PTC都能保護最大電流為900毫安培的USB 3.0埠，就算最高工作溫達(dá)60℃也不會跳閘。

　　由于溫度變化急劇可能使PTC的觸發(fā)速率下降，所以這也是PTC選擇過程中的一個重要方面，設(shè)計師選擇PTC時應(yīng)考慮不相容的USB 3.0設(shè)備，且負(fù)載900毫安培電流的情況，使PTC在最高工作溫度下有超過900毫安培的最大可用電流，否則，PTC可能會錯誤觸發(fā)。

　　每個PTC也要在電流8安培的時候，以小于5秒的速度進行短路故障觸發(fā)，因此符合UL60950-1有限電源規(guī)范以及把USB 3.0規(guī)范中電流限制在5安培是很重要的。

　　選擇最合適的PTC最后的關(guān)鍵參數(shù)是直流電阻。由于USB 3.0現(xiàn)在提供最大電流為900毫安培，所以電路中的功耗須進一步降低，此外，電源匯流排兩端元件的電壓降也須縮小，特別當(dāng)是該電路電阻預(yù)算很吃緊的時候。

　　整體而言，選擇PTC的主要目標(biāo)是確保電流設(shè)備在最高溫度下能承受至少900毫安培電流。以設(shè)定60℃為最糟糕的設(shè)計溫度情況為例，單埠應(yīng)用應(yīng)選擇最小尺寸且可支持最大所需電流0.95安培的方案，如表1中的第一個方案。若使用一個PTC保護兩個USB 3.0埠，表1中第三個方案是一個不錯的選擇，因為它在60℃時可保持2.19安培電流，滿足各方面的安全考慮。