USB 3.0電路保護

摘要：USB 3.0接口設備集合了通信速度為5Gbps的四個額外的數(shù)據(jù)通道，而且電源總線也有著高達900mA的最大輸出電流。這些新的USB 3.0規(guī)格加上集成芯片幾何 尺寸的不斷縮小，使得預防電氣瞬變和過流故障也變得更重要復雜。即使是很小的靜電放電（ESD）和短路事故帶來的危害也相比更大。寄生電容， 低鉗位電壓和低電阻成為電路保護元件選擇中的關(guān)鍵指標。本文網(wǎng)絡版地址：http：//www.eepw.com.cn/article/145483.htm關(guān)鍵詞：USB 3.0；電路保護；ESD保護；超 高速電路；數(shù)據(jù)完整性

DOI： 10.3969/j.issn.1005-5517.2013.6.014

USB 3.0接口設備集合了通信速度為5Gbps的四個額外的數(shù)據(jù)通道，而且電源總線也有著高達900mA的最大輸出電流。這些新的USB 3.0規(guī)格加上集成芯片幾何尺寸的不斷縮小，使得預防電氣瞬變和過流故障也變得更重要復雜。即使是很小的靜電放電（ESD）和短路事故帶來的危害也相比更大。

更強的生產(chǎn)能力，更敏銳的芯片靈敏度，以及信號完整性和系統(tǒng)的可靠性都應該是系統(tǒng)設計人員非常關(guān)注的事情。寄生電容，低鉗位電壓和低電阻成為電路保護元件選擇中的關(guān)鍵指標。由于電源線可用允許更大的電流通過，電流保護器可以有較低的電阻在確保低壓降方面也變得至關(guān)重要。一項成功設計的關(guān)鍵是要明白關(guān)鍵選擇標準和保護技術(shù)（PTC電阻，壓敏電阻，聚合物和硅為原料的設備）之間的優(yōu)化權(quán)衡。本應用筆記詳細解釋了需要考慮的因素和問題。

USB 3.0 的工作特性

通用串行總線（USB）標準是一套電子系統(tǒng)之間高速有線通信的接口規(guī)范。USB 3.0標準規(guī)定了數(shù)據(jù)傳輸速度的提高，輸出功率的增加并保持和USB 2.0設備向后兼容。

從USB 2.0到USB 3.0最重要的物理變化是稱為SSRX+ / SSRX和SSTx+/ SSTx的兩個差分數(shù)據(jù)的引進，并且他們保持著和現(xiàn)有的D-/ D+數(shù)據(jù)總線并列運行。這允許了數(shù)據(jù)全雙工同時傳輸，而USB 2.0總線只能單個雙工傳輸。

USB3.0還包括把電源總線上的電流從500mA增加到900mA，這樣也就擴大了為外部設備供電的選擇余地，不再需要額外的電源了。

USB 3.0電路保護所面臨的挑戰(zhàn)

前幾代USB使用的ESD靜電保護以不足以保護USB 3.0，因為USB 3.0的數(shù)據(jù)傳輸速率已升至5Gbps和通道電容為支持新的數(shù)據(jù)傳輸速率也下降了。設計師們面臨的挑戰(zhàn)是要找到電壓瞬態(tài)保護更好的解決方案，使敏感數(shù)據(jù)線在沒有增加信號畸變電容的情況下也能得以保護。

過電流保護

USB總線收發(fā)器IC（集成電路）或電源管理IC可有一些電流限制功能，但是，當在IC不包括含電流限制功能或附加的保護是必需時，電路設計人員必須為電源總線設計電流限制PTC。

在電源總線上（參見圖7）安裝的聚合物PTC器件可以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。它也可以幫助實現(xiàn)UL60950-1標準中第2.5節(jié)（有限電源，表2B）的規(guī)定，其中規(guī)定必須限制短路電流在5秒內(nèi)小于8A。

相關(guān)的USB集線器應用程序和USB 3.0的過電流保護規(guī)范如11.4.1.1.1條中陳述：如果下行端口的總電流超過預定值時，過電流保護電路可以消除或減少所受影響的下行端口的功率。預設值不能超過5.0A，而且必須足夠大于所允許的最大端口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）可以受到過電流保護。

圖2示出了用于多端口集線器配置的PTC解決方案。對于單端口配置，見圖7和圖8本文檔中的其他地方。

圖3顯示了推薦的單一端口和兩個端口中聯(lián)動的配置的PTC器件。我們還確定了新USB電池充電規(guī)范1.2版的PTC的解決方案。

在選擇PTC為作為USB端口保護時，需要考慮幾個關(guān)鍵參數(shù)：（1）目前最大端口（USB 3.0為900毫安）；（2） PTC位置的工作溫度；（3）觸發(fā)速度；（4）直流電阻。

圖3中的PTC被選定為最適合USB 3.0端口保護。所有的PTC都能保護最大電流為900毫安的USB 3.0端口，就算最高工作溫度為60℃的時候也不會跳閘。由于溫度變化急劇PTC的速率可能會下降，所以這也是PTC選擇過程中的一個重要方面。設計師選擇PTC的時候還應考慮不兼容的USB 3.0設備負載著900毫安的電流。在最高工作溫度下的保持電流需要大于超過900毫安的最大可用電流，否則，PTC有可能會錯誤觸發(fā)。

每個PTC是能夠在電流8安的時候，以用時小于5秒的速度短路故障觸發(fā)。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，所以電路中的功耗變得尤為重要，需要降低到最小。此外，電源總線兩端元件的電壓降也需要降低到最小，特別當是該電路電阻預算很緊的時候。在圖3所示的所有的PTC是由Lo-RHO電阻系數(shù)PTC制定，這是USB 3.0應用程序的最佳選擇。

選擇PTC時的主要目標是確保保持電流設備在設計溫度下至少能承受900毫安電流。如圖3中所示，我們選擇60℃作為最糟糕的設計溫度情況。1端口應用的最優(yōu)選擇的產(chǎn)品型號是0603L150SLYR，因為它不但是有著最小的外形而且可以支持最大所需的電流（0.95安）。此時設計溫度為60℃。

靜電放電（ESD）保護

USB 3.0暴露系統(tǒng)的額外數(shù)據(jù)承受了更大的ESD威脅，因為它提供了更多電氣瞬變的可能入口通道。

像USB 3.0一類的接口可以通過包括用戶觸摸連接器上的任意插腳或任何一個開放式連接線連接到端口上的一些機制接觸到靜電ESD。盡管現(xiàn)代IC芯片往往有受到一定程度的自我保護（通常在500～2kV的），這些防靜電水平等級是根據(jù)有著1500Ω放電電阻的MIL-STD HBM模型分級的。 MILSTD模型中，一個2kV的脈沖相當于有著330Ω放電電阻且電壓為500V的IEC61000-4-2模型。目前HBM可用脈沖在相同的瞬態(tài)電壓是IEC模型可用的四分之一。

發(fā)生靜電放電事故時電壓往往可以高達15千伏甚至更高，其會導致軟故障，潛在損害或災難性故障。 額外的ESD保護是提高現(xiàn)代界面端口生存能力的必要條件。為了確定外部ESD事故的預防系統(tǒng)，已經(jīng)開發(fā)了幾個測試標準，其中國際電工委員會（IEC）61000-4-2條款受到最廣泛的認可。該標準定義了的ESD在不同的環(huán)境和安裝條件中的測試水平，并建立了測試程序。現(xiàn)如今的超高速USB 3.0端口是一定能夠承受至少8千伏的接觸放電，這也是IEC 61000-4-2條款第4級的要求。

有了更高的數(shù)據(jù)速率，就特別需要注意組件的電流容量以保護電路。而且系統(tǒng)設計人員在選擇時的ESD保護器件時應該意識到的還有許多其它需要注意的重要參數(shù)。這些參數(shù)包括：（1）動態(tài)電阻和鉗位電壓；（2）擊穿電壓；（3）寄生電容；（4）最大ESD能力；（5）多脈沖能力；（6）封裝形狀；（7）關(guān)斷狀態(tài)的阻抗或泄漏電流；（8）設備配置和布局的靈活性。

現(xiàn)如今市場上有幾種不同的防靜電抑制技術(shù)，例如MLVs（多層陶瓷壓敏電阻），聚合物ESD抑制器和半導體的ESD抑制技術(shù)。是否選擇了正確的保護將決定USB3.0端口是否可以承受ESD事故。

設計師們必須特別關(guān)注器件電容，鉗位電壓和動態(tài)電阻，因為這些參數(shù)對選擇最佳ESD保護至關(guān)重要。一些設備保護制造商設計出了有著最小寄生電容以提高信號的最大完整性的產(chǎn)品，同時有些產(chǎn)品的鉗位性能達到了最大化雖然代價是電容很高。

像TVS二極管和二極管陣列的半導體有著最低動態(tài)電阻，提供卓越的鉗位性能，并能保持非常低寄生封裝電容。圖5示出了硅的鉗位性能與MLV ESD保護技術(shù)的對比。正如可以看到的，以硅為基礎的解決方案的鉗位電壓更低。

USB 3.0的眼圖測試結(jié)果如圖9中所示，美國力特的TVS二極管陣列，通過結(jié)合低鉗位電壓和低電容ESD保護給USB 3.0應用程序提供了最好的保護技術(shù)。

TVS二極管陣列比如美國力特的SP3012-06UTG型號等設備提供多通道ESD保護解決方案，USB 3.0保護的最佳選擇。美國力特的SPA？ 設備的工作方式有兩種。首先，它們的二極管能吸收瞬態(tài)電流，瀉放電流；第二，能通過雪崩或齊納二極管來鉗制電壓電平。圖7顯示的是美國力特USB 3.0設備SP3012-06UTG型號的靜電保護解決方案。

它提供6行±12kV靜電保護，能夠確保保護單一3.5x1.35mm的包裝里的所有USB 3.0數(shù)據(jù)線。美國力特SP3012-06UTG免除了設計人員為使用多個ESD保護裝置而占用寶貴的電路板空間的擔心。此外，SP3012具有僅為0.4Ω的極低動態(tài)電阻，這為USB 3.0芯片組提供了同類產(chǎn)品中一流的鉗位性能和對過壓事件非常敏感的收發(fā)器芯片。

另外，如果設計人員希望實現(xiàn)兩個設備解決方案，推SP3012-04UTG和SP3003-02UTG，它們可用于保護那六行數(shù)據(jù)線（參見圖8）。SP3003保護傳統(tǒng)的D + / D-對，而SP3012則可以保護兩個極速差分對。

信號完整性

保持USB 3.0數(shù)據(jù)完整性是至關(guān)重要的，任何少量的附加電容都可以導致信號失真，并降低信號的可靠性。測試靜電抑制器的寄生電容對信號完整性的影響的方法之一是進行眼圖測試。此測試需要對重復的數(shù)字信號進行采樣，并在示波器上顯示所得到的眼孔圖樣。眼圖經(jīng)常被用來定義可接受的信號質(zhì)量和依從性。

圖9顯示了美國力特SP3012-06UTG用一個5Gbps的USB 3.0符合性測試圖案和掩模“通過”的眼狀圖。圖10顯示了該評估板的PCB布局。為了模擬一個真實的世界USB 3.0數(shù)據(jù)路徑，測試電路板是用90Ω差分信號對和USB3.0接口設計的。

由圖可以看出，信號一直在掩模邊界內(nèi)，而且眼圖寬度是保持不變的，這樣給設計者在系統(tǒng)電容預算內(nèi)提供了很大的靈活性。