USB3.0登场，提升电路保护设计要求

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随着连接带宽需求不断增长的步伐，USB2.0的480mbps传输速度已经不足以满足现在和未来的应用要求，USB3.0标准的推出意味着USB接口即将迎接又一次换代。USB3.0或所谓“超高速USB”支持5Gbps左右的传输速率，在传输速度、电源管理和灵活性方面向前跨越一大步。业界普遍预测2010年年中，USB3.0将在手机、便携上网终端等应用领域迎来巨大商机。

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规定单一负载的工作电流，由USB2.0规定的100mA提升为150mA。一台电子设备最多可以驱动6台装置(标准连接器和微型连接器每端口最高900mA)。所以，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。

泰科电子上海瑞侃电路保护部应用工程经理董湧指出，一种协同电路保护手段将有助于在USB 3.0应用中防止因过中大电流、过高电压和ESD(静电放电)瞬态而受损。

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。通过增加两个额外触点，新型Powered-B连接器可以让一种电子设备为另一种电子设备提供高达1000mA的电流。比如，打印机可以为一台无线适配器供电，这样就不再需要连接有线网络。

“USB 3.0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。”董湧表示。

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器件的方法，能够帮助实现协同的过流/过压保护方案。

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)器件可以提供具有成本效益的USB过流保护方案。在VBUS端口上安装PolySwitch器件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。

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。虽然典型USB电源具有5V+/-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5.25V。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。

设计完善的总线会吸收这种尖峰，防止设备与其接触。泰科的董湧表示：“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(如PolyZen聚合体保护zener二极管器件)可以有效防止因电压瞬态而受损。对于USB 3.0设备来说，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。他指出，USB 3.0对于过压保护的要求相对于 USB2.0没有任何变化，不会影响所推荐用于USB端口的过压、ESD保护元件的型号。

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USB 2.0协议支持最高480Mbps的数据传输速率，而USB 3.0规范支持的数据传输速率高达5Gbps，因此USB 3.0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，董湧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，USB 3.0的接口需要比USB 2.0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。

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，泰科电子瑞侃电路保护部的PESD器件具有更低的电容，而其低触发电压和低钳位电压也有助于保护敏感电子元件。该器件适用于USB2.0的高速D+和D-信号线和USB 3.0的SuperSpeed信号线。

“保护电路的具体设计要视具体情况而定，泰科提供强大的技术支持团队帮助客户解决具体的设计问题。客户可以将设计方案拿到我们这里，和我们的技术支持团队一起测试评估，以找到最合适的电路保护解决方案。我们在上海设有一个很大的实验室，帮助客户进行各种电路保护测试。”董湧表示。

据悉，泰科电子上海电路保护实验室位于泰科电子上海科技园南区，隶属于泰科电子上海电路保护部门。自1995年成立以来，该实验室已发展成为一个具有测试、设计、研发等多种功能的完善系统。现今，电路保护实验室拥有办公用地300多平方米，技术和试验人员超过30个，符合各类标准的实验设备近200台。目前实验室已陆续通过ISO9001、ISO14001、TS16949等多类审核，可为相关客户提供符合ITUK.20、ITUK.21、GR1089、 TIA968、UL60950、ISO7637以及客户自定义的各类测试。根据测试结果，电路保护实验室免费为客户提供完善的电路保护解决方案，并提供详细数据和报告。