USB 3.0需要更强大的电路保护

  更高的传输率、提高最大总线功率和设备电流、提供全新的电源管理功能以及向下兼容 USB2.0,这些都是USB 3.0的开发方向。日前,泰科电子上海瑞侃电路保护部应用工程经理Mr.董详细介绍了他们最新推出的一款保护器件以及有关USB 3.0在过流、过压和ESD保护方面面临的问题。

  新器件femtoSMDC016F是0603尺寸的PolySwitch器件,其占板面积不到上一代器件的一半,并且有助于保护敏感电子电路免受过流及过温事故的损坏。该器件具有快速动作时间和可复位功能。femtoSMDC016F器件比其他的表面贴装器件占板面积都要小,测量尺寸仅为1.6mm x 0.8mm x 0.5mm,提高了空间设计灵活性。该器件的额定工作电压为9V,可提供一个0.16A的维持电流,以及一个40A的最大故障电流和4.2欧姆的最大阻抗。董强调,对于PTC材料而言,0603尺寸已是目前业界最小产品,由于采用镍-锡封装,femtoSMDC016F器件可焊性极佳。

  较之USB 2.0,USB 3.0新增了一条采用新版USB协议的对偶单纯型数据通路的物理总线。董表示,USB 3.0电流传输能力的提高对电路保护提出更高的要求,而协同电路保护手段将有助于过流、过压和ESD瞬态受损的保护。他指出,USB 3.0通过标准主控设备(A型连接器)和新型供电设备(Powered-B连接器)供电。新的SuperSpeed规范提高了流向USB设备的电流大小,从最大额定电流0.5 A提高至0.9 A。Powered-B连接器可以通过从两个额外连接器输送最高1.0 A的电流来对设备充电。由于过流条件会影响电源总线,因此所有功率源(如主机和集线器)都需要进行过流保护。

 

 

  “USB3.0的单装置负载从USB 2.0的100 mA提高至150 mA。一台电子设备最多可以拖动6台装置,”董说,“这意味着标准连接器和微型连接器每端口最高可至900 mA。”标准USB 2.0连接器应用在USB 3.0中仍然不变,但USB 3.0将不再通过总线供电,而只能通过自有电源供电。由于需要一个插孔端口对USB 3.0集线器应用中的所有连接器供电,因此该插孔上需要使用电路保护器件防止因过压事件受损。“在VBUS上安装泰科电子PolyZen器件以及在该器件端口上安装六个小电容PESD器件,可以帮助实现协同的过流/过压保护,”董说,“此外,对于支持USB充电的系统还需要具有大电流能力的过流保护器件。PolySwitch聚合正温度系数(PPTC)器件可以提供过流保护,有助于防止因设备下游侧突然短路而造成的过流损伤并降低各种USB应用中需要的功率损耗。”

  除了过流保护,USB 3.0对过压和ESD保护的要求也更高。针对传统0.5 A端口设计的USB过压保护器件不适合每端口0.9 A的USB规范。如果一台0.9 A主机断开,将产生高感应电压尖峰,这会对仍然留在总线上的设备造成负面影响。虽然典型USB电源具有5V和±5%的稳压线路,但在特殊情况下,这些线路上的电压也可能大大超过5.25 V,接口和充电系统也会产生负电压,导致未采取保护措施的外围设备受损。

  “过压瞬态往往是ESD造成的,电源总线和数据总线上都可能出现。尽管现代集成电路可以抵御最高2000 V的电压,但人体本身却能聚集高达25000 V的静电。I/O端口保护中,数据线上需要具有快速钳位和恢复响应的极低电容ESD器件,”董说。另外,根据泰科电子的内部检测,热插拔引起的瞬态,尽管时间很短,但电压幅度却可能超过16V~24V。在所有USB受电设备,尤其是VBUS端口上安装过压保护器件可以有效防止因电压瞬态而受损。

  USB 3.0接口需要比 USB 2.0电容更低的ESD保护。增加极低电容PESD器件可以减小插入损耗,满足USB 3.0的眼图要求。董表示,与多数传统 MLV(多层变阻器)或TVS(瞬态电压抑制)二极管技术相比, PESD器件具有更低的电容,而其低触发电压和低箝位电压也有助于保护敏感电子元件。PESD适用于 USB2.0的高速 D+和D-信号线和 USB 3.0的SuperSpeed信号线。