圖1：修訂后的USB3.0協(xié)議增加了一條雙單工數據通道。最新USB 3.0協(xié)議(或“SuperSpeed USB”)被開(kāi)發(fā)用于提供更高的數據傳輸速率，并通過(guò)支持每個(gè)端口上的更高電流水平提高供電能力。它包含新的電源管理功能，以及可向后兼容USB 2.0設備的新電纜和連接器。最顯著(zhù)的變化是，4條附加的銅數據線(xiàn)被平行地增加到現有的USB 2.0總線(xiàn)中(如圖1所示)。這些附加的銅數據線(xiàn)被用來(lái)傳輸超高速數據，但也會(huì )傳輸ESD(靜電放電)和其它有害的瞬態(tài)電壓。

 

 

USB 3.0增加的電流和供電能力意味著(zhù)需要新的電路保護方案。經(jīng)過(guò)改進(jìn)的電路保護方法可以幫助保護USB 3.0應用免受過(guò)流、過(guò)壓及ESD瞬態(tài)電壓帶來(lái)的損害。

 

 

USB 3.0通過(guò)兩個(gè)部件提供電源：一個(gè)標準的主機(A型連接器)以及一種新型供電設備(Powered-B連接器)。最新SuperSpeed規范提高了可供給USB設備的電流總量(從0.5A提高到0.9A)。新的Powered-B連接器允許一個(gè)USB設備以高達1.0A的電流給另一設備充電。由于過(guò)流狀態(tài)會(huì )影響電源總線(xiàn)，所有的電源(如主機、集線(xiàn)器和Powered-B設備)都必須提供過(guò)流保護。過(guò)流保護也是UL60950標準所要求的。

 

與USB 2.0類(lèi)似，所有類(lèi)型的USB 3.0主機必須提供電源。USB 3.0的單個(gè)單元負載重定義為150mA，比USB 2.0的100mA略有增加?，F在，一個(gè)USB 3.0主機必須能夠每端口支持多達6個(gè)單元(900mA)。此外，USB 3.0集線(xiàn)器可能不再需要總線(xiàn)供電了。所有USB 3.0集線(xiàn)器現在必須每個(gè)端口都能夠支持900mA的電流。

 

此外，支持USB充電和USB 3.0的系統需要能承受更高電流的過(guò)流保護器件。USB充電器規范采用與USB 2.0相同的引腳配置，但允許更高的電流(每端口高達1.5A)。

 

最后，USB 3.0定義了一種新的Powered-B連接器，其主要的好處是更好的便攜性。Powered-B連接器允許去除USB電纜和額外的電源。使用Powered-B連接器的USB設備現在可為另一USB設備供電。通過(guò)提供兩個(gè)額外的接插口，新的連接器可使一個(gè)電源(帶有Powered-B連接器插座)能向另一設備(帶B型供電連接器插頭)提供高達1000mA的電流。例如，一臺打印機可給一臺無(wú)線(xiàn)適配器供電，從而無(wú)需一條有線(xiàn)USB連接。

 

在所有這些應用中，高分子聚合物正溫度系數器件(PPTC)為USB過(guò)流保護提供了最具性?xún)r(jià)比的解決方案。PPTC器件可用于USB 3.0主機應用、USB 3.0集線(xiàn)器應用、USB充電器應用，以及USB 3.0 Powered-B連接器應用中的電流限流保護。在USB電源的VBUS端口安裝的PPTC PolySwitch器件可在短路時(shí)限流，防止因下游電路突然短路造成的過(guò)流損壞，并有助于實(shí)現UL60950標準。

 

 

盡管USB定義了電源總線(xiàn)，但這并沒(méi)有消除與過(guò)壓相關(guān)的風(fēng)險。過(guò)壓事件可由一系列失效條件導致，包括用戶(hù)錯誤、穩壓很差的第三方電源、熱拔出事件和電感瞬變等。接口和充電系統也會(huì )產(chǎn)生負電壓，這會(huì )導致未受保護的外部設備受損。盡管USB 2.0 電源的標稱(chēng)誤差為5V±5%，但許多采用USB 2.0接口的大規模系統仍被設計成可承受16V甚至28V電壓(連續)。

 

由于USB 3.0提高了正常工作電流及其上限，因此，針對傳統0.5A 端口設計的過(guò)壓保護器件可能就不太適合用于保護新的每端口0.9A的USB 3.0接口。當一個(gè)0.9A主機拔出時(shí)，高壓感應尖峰就會(huì )產(chǎn)生，它可能會(huì )損壞總線(xiàn)上的其它設備。一個(gè)設計良好的總線(xiàn)將能吸收這些尖峰電壓，從而保護設備免受尖峰電壓的損害。

 

泰科電子的內部測試顯示，熱插拔引起的瞬態(tài)電壓盡管非常短暫，但電壓值可超過(guò)16～24V。內部測試還發(fā)現，開(kāi)路電壓大幅超過(guò)USB規范要求(5V±5%)的第三方充電器，可能對敏感的電子設備構成威脅。將過(guò)壓保護器件(如PolyZen聚合物保護齊納二極管器件)放置在所有USB供電設備的電源輸入端(特別是在VBUS端口)，有助于保護設備免遭過(guò)壓事件造成的損壞。

 

對于USB 3.0設備，PolyZen器件可安裝在USB輸入端口的VBUS上、Powered-B插頭的DPWR端口、桶形插座電源端口、以及USB集線(xiàn)器的VBUS輸入端。

 

必須注意，USB 3.0不再支持總線(xiàn)供電集線(xiàn)器而僅支持自供電集線(xiàn)器。在USB 3.0應用中，需要一個(gè)電源來(lái)為集線(xiàn)器的所有端口供電。如果在集線(xiàn)器的輸入端使用一個(gè)直流電源連接器，那么就必須安裝一個(gè)電路保護器件來(lái)保護集線(xiàn)器免受過(guò)壓事件的損害，如未穩流或錯誤電源、反向電壓和瞬態(tài)電壓。

 

圖2顯示了如何在VBUS上安裝PolyZen器件以及在一個(gè)典型USB電路上安裝6個(gè)低電容值PESD器件，才能幫助提供綜合過(guò)壓保護方案。

 

 

 

瞬態(tài)過(guò)壓經(jīng)常是由ESD引起的，它可能會(huì )出現在電源總線(xiàn)和數據線(xiàn)上。盡管現代IC可對抗高達2000V的高壓，但人體很容易產(chǎn)生出高達25000V的靜電。在I/O端口保護應用中，數據線(xiàn)上的ESD器件必須具備以下特性：快速箝位、快速恢復響應和極低電容值。

 

現有的USB 2.0協(xié)議允許高達480Mbps的數據傳輸速率，并支持即插即用、熱插拔安裝和運行。與之相比，USB 3.0規范允許高達5Gbps的數據傳輸速率，并向后支持較低速的USB 2.0規范。

 

USB 3.0增加了4個(gè)接到連接器的新引腳，以支持新的SuperSpeed接口：USB3_TX(差分對)和USB3_RX(差分對)。
 

USB 3.0的SuperSpeed接口與USB 2.0相比，要求更低電容值的ESD保護器件。增加極低電容值的PESD器件可以幫助最小化插入損耗，以滿(mǎn)足USB 3.0的眼圖要求。憑借0.2pF的典型電容值和大于6GHz的平坦插損區域，PESD器件能夠支持USB 3.0應用的要求，并處理大量ESD瞬態(tài)電壓沖擊。 與大多數傳統的MLV(多層變阻器)或TVS(瞬態(tài)電壓抑制器)二極管技術(shù)相比，PESD器件可提供更低的電容值，而且其低觸發(fā)和低箝位電壓也有助于保護敏感的電子元件。PESD器件適用于USB 2.0高速D+和D-信號線(xiàn)以及USB 3.0 SuperSpeed信號線(xiàn)的ESD保護。在電路保護方案中增加PESD器件可提升保護級別，從而滿(mǎn)足IEC61000-4-2規范要求。該規范規定接觸模式的ESD測試標準是8kV(典型)/15kV(最大)，空氣放電模式的ESD測試標準是15kV(典型)/25kV(最大）。

 

 

 

在USB應用中，一個(gè)綜合保護方案可用來(lái)增強對高電流、高電壓和ESD瞬態(tài)電壓沖擊的保護。圖3和4顯示了適用于USB 3.0和Powered-B連接器設計的電路保護器件。

 

 

 

PPTC過(guò)流保護器件可幫助設計師滿(mǎn)足USB 3.0規范的新的大電流要求，并提供一種簡(jiǎn)單的、節省空間的限流解決方案。PESD器件可提供高速數據傳輸應用所需的低電容值(典型值0.2pF)，并可提供目前電子工業(yè)最流行的外形尺寸。PolyZen器件既可為設計師提供傳統箝位二極管的簡(jiǎn)單性，又消除了持續過(guò)壓所需的大型散熱片。該器件可保護設備免受因使用不正確的電源、瞬態(tài)電壓和其它因用戶(hù)錯誤而引起的損害。