USB3.0电路保护技术与实施方案
中心议题：
- USB技术规格要求
- PPTC元件技术在USB中的应用
- 保护电源开关技术在USB中的应用
- PPTC元件主要可应用于USB主机和USB自我供电集线器
- 保护电源开关元件用于USB电源匯流排中，控制输至USB埠的电源
在通用串列匯流排（USB）技术规格中，明定USB电源管理提供电流限制和电源开关功能或提供正温度系数热敏电阻（PPTC）元件与固态开关功能，以作为可行之过电流保护法。与保险丝相似的是，PPTC元件有助于保护电路免受过电流的损坏。它与保险丝的不同之处在于电路断电情况下，PPTC元件可自行復位并消除故障。除了这项自復功能之外，PPTC元件在USB应用中拥有很多关键性的设计优点，其中包括低电阻、快速动作时间、低的功率损耗和固有的抗误特性，这类元件提供的解决方案比採用同等的硅元件的方法成本更低。
採取了保护措施的电源开关元件将电流限制功能与电源开关整合在一起，常用于由匯流排供电的集线器、双模式集线器和低功率主机中，还可用作冲击电流限制装置。它们将较低的电阻与反应迅速的电流限制功能结合起来，对于功率受限的主机来说是一项实用且节省成本的解决方案。同时，它们具备的快速电流限制回应功能可以进一步减少在故障情况下系统电压的降低，而且电源的开关功能也可以帮助节省更多的能量。
产业规格的要求
如图1所示，USB技术规格规定了在USB产品中需具备的限制电流功能、电源开关功能，或同时提供这两种功能。在需具备电流限制功能时，必须符合UL60950规格，即在短路或其他故障的情况下，电流输出必须在60秒内限制在低于5A的强度。USB技术规格还定义了容许电压输出的标准以及对于系统中总电压降的限制。
1.可依多埠共用或单埠基准上进行设计
2.双模式集线器可以用作双电源集线器或匯流排供电集线器。
PPTC元件技术
正温度系数热敏电（PPTC）保护元件採用半晶态聚合物和导电性颗粒制成。在正常温度下，这些导电性颗粒形成位于聚合物中形成低阻值的电链路图（图2）。不管其热量来自流经该元件的大电流还是环境温度的上升，在温度上升到超过器件的开关温度（Tsw）时，聚合物内的晶体都会融化，形成非晶体物质。在晶体物质融化的过程中，其体积变大，造成导电性颗粒出现分离现象，并导致元件阻抗呈大幅度非线性增加。
图2.在过电流或过热情况下，PPTC元件通过从低阻值状态转换为高阻值状态来保护电路
此时电阻可增加到原值的1000倍以上或更高倍数。电阻增加后，电路中的电流值减至可在故障情况下流动的一个较低且稳定的状态，因而保护了设备。在元件转变为高阻值状态下，可称之为“已动作”。元件将保持已动作（高阻值）状态，直到故障清除并将设备的电源断开，此时，导电性聚合物冷却下来并重新结晶，将PPTC元件恢復到较低阻状态下，而受影响的设备也恢復到正常运作状态。
PPTC元件主要可应用于USB主机和USB自我供电集线器。这种自復式电流限制元件与USB元件的输出电源埠串联，在故障情况下的电流限制功能有助于防止电路受损，同时系统不会出现大幅度的电压下降。而多埠的保护功能，可以在即使有一个埠端已经短路的情况下，USB匯流排的其余部分还可以继续发挥其功能。如图3所示，USB应用中的关键元件参数包括：动作时间、电阻和功率损耗。
PPTC元件属于USB电源匯流排中的电阻性串联元件。当元件处于非动作状态时，除了特殊状况外，一般均呈现为一定的电阻值。因此，PPTC元件的电阻值越低，正常工作中电源与USB输出引线间的电压降就越小。在匯流排供电集线器的应用中，电压降必须小于0.1V，这就意味着包括所有串联元件和电路板连线的总电阻必须小于1?（在100mA下）。在USB主机和自我供电的集线器中，只要求输出电压的最小值为4.75V，而未对电压降进行规定。
工作电流是指元件能够在无限的时间内保持不动作状态的最大稳定电流。工作电流与温度相关，设计人员必须考虑到元件所能承受的最高温度。一般来说，较低的工作电流必然包含较高的电阻和较快的动作时间，较高的工作电流相对提供较低的电阻。对于小功率应用条件下，应该尽量选择具有最小工作电流的元件。
动作时间是PPTC在故障情况下对动作速度的特性所进行之描述。在小功率应用条件下，动作时间是关键因素，因为在整个系统的电压降低或减弱且系统性能受到影响之前，小型电源维持在短路电流而不受损的时间可能很短。动作时间数值与元件的设计、元件的大小和工作电流性能有很大关系，且还要考虑到电路板设计；即电路板上较宽的连线或较大的焊接器等同于散热器，均可增加动作时间。缩小焊接器的尺寸，选择较低的工作电流能够改善动作时间性能。
对小功率设计来说，动作功率损耗或漏电流是另一项需要重点考虑的因素。在PPTC元件动作后，它将保持锁定在高阻值状态下，持续通过少量电流（功率耗散），直至元件退出动作状态为止。这一小股电流强度越低，则故障状态下系统的功率损耗就越小。
测试的元件性能
•电阻：200mΩ
•工作电流：0.75A
•动作电流：1.5A
•动作时间：18毫秒（本元件）
•3分钟后测量的漏电流：70毫安培（本元件）
图3.PolySwitchnanoSMDM075元件处于故障条件下的回应
保护电源开关技术
保护电源开关元件属于硅元件，用于USB电源匯流排中，控制输至USB埠的电源，并且有助于保护电路和元件，避免出现过电流现象。与PPTC元件相似，保护电源开关在过电流条件下执行跳闸动作，但是这一跳闸动作的执行分成两个阶段。元件在毫秒内即“动作”，将电流限制在一个预定的范围内，这一范围高于额定的工作电流。随后，通知控制器已经发生了故障，控制器即可通过切换电源开关上的致能Pin来关闭这一埠。如果控制器未作出回应，则电源开关就反覆执行这一埠的开关状态，以防止元件内部出现过热损坏。
USB应用中的关键元件参数包括开关电阻、连续输出电流、动作时间、电流限制设定点、故障旗标延迟、电流限制释放点以及动作电流提升。
导通电阻将影响系统电源压降，它在元件不处于电流限制模式时进行测量。较高的导通电阻可能导致元件上的电压降过大，就有可能导致USB的性能不合格和设备功能不正常。硅元件的导通电阻是供电电压的函数，最佳的元件应该能够在较低的匯流排电压下将电阻和电压降减少到最低程度，并且保持USB输出的电压是合格的。
连续输出电流是设备未动作时的电流值。对于小功率应用中，这一参数应该在符合USB技术规范的同时尽量降低。
动作时间是指保护电源开关器件启动其电流限制回路的速度。硅元件所具有的极快的动作时间使其成为功率限制应用中的最佳选择。与PPTC元件不同之处在于其动作后的电流值能够保持在相当高的水准，并由电流限制的设定值来决定。电流限制设定值是指硅元件一旦动作后将电流所限制到的标准，其数值根据故障状态的严重程度来变化，通常定义为故障电阻的函数。对于小功率的应用，电流限制值应该尽量设低。
将故障旗标延迟功能整合在硅元件中，有助于防止“误动作”和改善客户的满意度。故障旗标是指在特定的USB埠出现故障时，用于警示USB控制器的逻辑输出。在热插拔过程中，许多USB设备容性很高，能够吸取相当大的电流，并超过了规定限值。这造成元件触发出短暂的电流限制信号，如果这一信号传达到控制器，则会造成误动作。如图4所示，採用9毫秒的故障旗标延迟时间能够防止出现这种暂态情况造成的故障旗标触发。
RYC8220－2M元件的技术规格为：
•导通电阻：95mΩ
•连续输出电流：0.6A
•动作时间：20μs
•电流限制值（0Ω故障）：0.9A
•故障旗标延迟：9毫秒
•电流限制释放点：0.6A
图4. 被保护的电源开关在故障状态下的工作过程
电流限制释放点是一项对于最终用户十分关键的参数，它规定了一个电流标准，硅元件达到这一电流标准时将解除其电流限制功能。这是一项设计时需要考虑的重要因素，因为一旦电流限制功能启动，元件的电阻将出现很大幅度的增加，并可能影响到所连接USB元件的正常工作。如果此值设定过低，会使在热插拔时进入电流限制模式下的元件仍保持在动作状态下，而导致USB功能无法正常运作。通过将电流限制释放点设定到500mA以上，被保护的电源开关将在USB元件恢復至正常工作电流标准时，停止限制电流。
在动作之后，埠处最初的功率耗散是硅元件限制电流的函数。如果此元件可以在故障状态下关断，则埠的电流消耗和功率消耗可以忽略不计。如果控制电路无法执行这项功能（例如致能Pin在高电位启动的元件一直接在高电位上，或者电源开关功能并未内置此功能在元件之中时），则绝大多数硅元件将继续对电流进行限制，直至其达到内部温度门槛。在达到这个温度门槛后，元件将开始对埠进行防止过热的循环週期。在这种状态下的平均埠消耗电流是热循环週期此和电流限制的函数。对于使用硅元件的小功率应用，重要之处在于配备正确的开/关电路以防止过高的“动作”状态下的消耗功率。
电源保护开关能提高可靠性并减少零件的数量
电源保护开关可以整合许多的检测和保护功能，能够提高性能并减小零件的数量。图5中对常用的硅电源开关与Raychem的PowerSwitch进行比较。
图5.常用电源开关导入过程与保护电源开关导入过程的对比.
在常用的电源开关实施方案中，电容器和电阻器被用于在故障旗标信号中产生时间延迟，而Raychem的PowerSwitch内置了这一特性，并且避免了在电路板上另外设置电路。故障旗标延迟能够防止冲击电流导致埠端发生误动作，并使所连接的设备能够开始正常运作。为了进一步减少外部零件的数量，Raychem的PowerSwitch分别为启动引线和标志引线（FLGA和FLGB）集成了上拉和下拉电阻器。
Raychem的PowerSwitch将故障标志输出信号设置在CMOS级。这一点对于低成本实现方案来说是非常关键的，因为低成本方案中的一些控制器无法支援5V的输入信号。通过提供对CMOS级输出信号的支援，便不再需要外部分压网路。
Raychem的PowerSwitch也利于对于单独埠的保护，改善了客户的使用满意度。在检测到真正的过电流状态时，出现故障的埠端关闭，而其余的埠不受影响。图6说明了对于单独埠的保护实现过程，图中将1Ω的负载连接到通道A上来模拟5A的过电流状态，同时将185mA的连续负载电流施加于通道B上来类比正常的设备工作状态。
图6.单独的过电流/过热保护协调
PowerSwitch电源开关元件检测到了通道A的故障，并开始限制电流。而只有在通道A，PowerSwitch将真正地开始ON/OFF循环週期直至故障现象消失。而通道B上的连续电流处于技术规范之内，其工作保持不受影响。
这项单独埠的保护功能也影响到了功率消耗量，并允许限制点处于最低值以减少故障状态下功率的消耗。由于每个埠端均进行独立性保护，最大预计电流在500mA或以下，这与多埠共用保护方式的差异是相当大的，多埠方式是以1A的连续电流用1个通道保护2个埠。
对于小功率应用而言，具备能使某个埠运作或停止运作的功能是很重要的特性。在故障状态下，硅元件将进入电流限制模式，以防止出现极大的电流实波和电压降，但是仍能允许较大电流流经埠。如果这一埠不能禁用，则硅元件将真正进入一个过热循环週期。热循环週期能够降低总功率的消耗，但每个通道的功率仍将超过1W。如图6所示，在保护电源开关通道A能够由控制器关断的情况下，能够使一个埠的电流消耗下降到10μA的水平。
在USB的设计中，另一项重要的考虑因素是随着电压的下降，电阻值也会下降。随着供电电压的下降，电压降问题显得更加突出。一般来说，电压下降将导致电源开关的导通电阻增加，这是一种不期望的特性。但Raychem的PowerSwitch元件的电阻却能够随着供电电压的下降而下降，因而避免这不利特性。如图7所示，在匯流排电压较高时，PowerSwitch能够减少输出电流值，提升电源的效率和电池的使用寿命。在匯流排电压较低时，PowerSwitch两端的电压降也会降低，这样USB功能就能继续工作一段更长的时间。
图7. 採用PowerSwitch元件后，其电阻值随着输入电压的下降而下降
在故障状态下的自復式电流限制功能有助于防止电路损坏、系统的压降与週边系统故障，并有助系统满足UL的安全标准。PPTC元件是一种成本较低的电流限制解决方案，适用于桌上型电脑、膝上型电脑和自备电源集线器。採用PPTC元件可对单个USB埠提供保护功能，并能节省更多能量，增强整个系统的可靠性。
在匯流排供电的集线器、双模式的集线器以及低功率主机中，PowerSwitch元件是最为常用的解决方案。这种元件还可用于USB设备中作为冲击电流限制元件。PowerSwitch元件内置了包括电源开关功能的电流限制功能，提供较低的导通电阻和快速的电流限制特性。这些特性均有其应用在功率有限的主机中。在这种主机中加入电源开关功能，就可以通过关闭出现故障的埠端来作最大限度地节省能量。
