适用于USB3.0接口的新电路保护方案
2017-05-11 09:40:01
lipscall
USB3.0提供更高的传输率、提高了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的新型电缆和连接器。USB3.0规定的单一负载工作电流，由USB2.0规范的100mA提升为150mA。
一台USB3.0电子设备最多可以驱动6台USB装置(标准连接器和微型连接器每端口最高900mA)。因此，USB3.0电流传输能力的提高对电路保护方案提出了新的要求。
在过流保护方面，USB3.0通过两类器件供电，即标准主控设备(A型连接器)和新型供电设备(Powered-B连接器)。新的规范提高了流向USB设备的电流大小，从最大额定电流0.5A提高至0.9A。
Powered-B连接器可以通过从两个额外连接器输送最高1.0A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。（相关阅读：自恢复保险丝在USB3.0接口的保护应用）
USB3.0标准保护方案必须支持每端口最小900mA的电流，过电流保护必须满足发生故障时在60s内将故障电流限制在5A以下。
与USB2.0集线器可以通过总线供电不同，USB3.0将不会提供这种选择，而只能通过自有电源供电。由于需要一个插孔端口对USB3.0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，这类事件可能有非稳压电源、逆向电压或电压瞬态。
在USB电压源上（VBUS）串联万瑞和过流/过压协同保护器件以及在该器件端口上安装六个小电容PESD器件（静电保护器）的方法，能够帮助实现协同的过流/过压保护方案。
在过压保护方面，USB3.0新规范的出台将使传统0.5A端口设计的过压保护器件不再适用。如果一台0.9A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。
各种接口和充电系统都会因为使用不正确充电器、稳压不良的第三方充电器或者热插拔事件而使便携式电子设备面临受损的危险。
研究指出“虽然主要的手机OEM厂商都有内部关于USB输入口的过压保护要求，以保证USB输入端口可以承受16V到24V的电压，但内部测试表明，带电热插拔时所引起的瞬态脉冲，尽管非常短仍然会超过上述的16-24V电压。我们建议在所有USB设备电源输入端口进行过压保护。”
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。对于USB3.0而言，PolyZen器件可酌情置于USB输入端口、Power-B插头和母插孔电源端口上。
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。现有USB2.0协议支持最高480Mbps的数据传输速率，而USB3.0规范支持的数据传输速率高达5Gbps，因此USB3.0的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。
针对USB3.0的ESD保护电路，银河集团198net指出了三个主要的考虑因素：
一是为满足要高速度/电容要求，USB3.0的接口需要比USB2.0电容更低的ESD保护，必须采用小于1pF的ESD元件，增加极低电容PESD器件可以减小插入损耗；
二是动作电压的选用要与被保护IC芯片的ESD承受能力配合起来，还要考虑回路阻抗；
三是满足空间要求，采用更小尺寸的保护元件，灵活布局。出于空间的考虑可以选择贴片保险丝进行保护。