【应用】力特低钳位低电容PTC+TVS二极管提供最佳USB 3.0电路保护方案

通用串行总线(USB)在1996年发布，以规范计算机外设之间的连接；2012年有超过35亿部USB设备上市。

2010年，首款USB 3.0接口的设备问世，大约有1亿台。随着超高速协议成为最新芯片组的本地连接，这个数字在2012年迅速增长(现在预计将接近5亿台设备)。

USB 3.0设备包含4个额外的数据通道，提供5Gbps的通信速度，并且功率总线已被提高到900mA最大电流。这些新的USB 3.0规范，结合连续收缩的集成芯片几何形状，使保护免受电力瞬变和过电流故障更为关键和更复杂。即使是较小的静电放电(ESDs)和短路事件也会造成更大的损害。

随着芯片吞吐量的提高和芯片灵敏度的提高，信号完整性和系统可靠性应该是系统设计者更关心的问题。寄生电容、低钳位电压、低电阻是电路保护元件选择的关键标准。由于Vbus上有较高的电流可用，所以过流保护器的低电阻也成为保证低电压降的关键。

理解关键选择标准和保护技术之间的权衡（PTCS，压敏电阻，聚合物和硅基器件）是实现成功设计的关键。该应用说明解释了需要详细考虑的因素和问题。

图一 USB 3.0增加了双差分数据对

USB 3.0操作特征

通用串行总线(USB)标准是一套用于电子系统之间高速有线通信的接口规范。USB 3.0标准规定了数据传输速率的增加、功率输出的增加以及与USB 2.0的向后兼容性。

从USB 2.0到USB 3.0最重要的物理变化是引入了两个差分数据对，称为SSRx+/SSRx-和SSTx+/SSTx-，与现有的D-/D+数据总线并行运行。这允许全双工同时传输数据，而不是单双工单向USB 2.0总线。

USB 3.0还增加了Vbus上的可用电流，从500mA增加到900mA，扩展了外部设备的电源选择，消除了额外的电源需要。

USB 3.0电路保护挑战

随着数据传输速率增加到5Gbps，为了支持新的数据速率，需要降低通道容量，前几代USB使用的ESD保护可能不足以支持USB 3.0。设计人员在寻找电压暂态保护方案时面临更大的挑战，该方案可以在不增加信号失真电容的情况下保护敏感的数据线。

引入额外的差分数据对需要保护更多的数据线以抵御ESD，而过去用于保护每条单独数据线的离散ESD保护解决方案可能不是理想的解决方案。新的硅阵列ESD保护装置，直接放置在数据对上，不仅保护传统的USB 2.0数据线，而且可以保护这些额外的数据信号对。

对于过电流保护，USB 3.0规范第11.4.1.1.1节:

主机和所有自供电的集线器必须出于安全原因实现过流保护，集线器必须有办法检测过流状态并报告给USB软件。

在没有用户机械干预的情况下，过流限制机构必须重新设置。聚合物PTC和固态开关是可以用于过电流限制的方法的例子。

在UL60950-1的一些设备中也可能需要过电流保护。

过流保护

USB总线收发器IC（集成电路）或电源管理IC可以包括一些限流功能；然而，当IC不包括限流特性或需要补充保护时，电路设计者必须使用用于Vbus的限流PTCS。

在Vbus上安装聚合物PTC器件（见图七）在短路时限制电流，并防止突然短路引起的过电流损坏。它也可以帮助实现UL60950-1符合Sec 2.5（限制电源，表2B），这表明短路电流必须在5秒内限制在8A以下。

与USB集线器应用相关，USB 3.0过流保护规范11.4.1.1.1说明:

如果一组面向下游的端口所产生的总电流超过预设值，过流保护电路将从所有受影响的面向下游的端口上移除或减少功率。预设值不能超过5.0A，并且必须足够高，超过最大允许的端口电流或时间延迟足够高，这样的瞬态电流(例如，在功率上升或动态连接或重新配置时)不需要访问过电流保护器。

图二显示了多端口集线器配置的PTC解决方案。对于单个端口配置，请参见本文中其他地方的图七和图八。

图二 USB 3.0多端口集线器配置(见图七和图八)

图三显示了建议的PTC设备，该设备适用于组合配置中的单个端口和两个端口。LITTELFUSE还确定了新的USB电池充电规范Rev 1.2的PTC解决方案。

图三 Littelfuse为USB 3.0推荐的PTC产品

选择PTC进行USB端口保护时，需要考虑以下几个关键参数:

1、最大端口电流(USB 3.0为900mA)

2、在PTC位置操作温度。

3、跳闸速度

4、直流电阻

图三中的PTCs最适合USB 3.0端口的保护。所有的PTC能够持有的最大USB 3.0端口电流900毫安每端口在60°C的最高工作温度不会跳闸。由于温度的影响，PTC的速率降低了很多，因此这是PTC选择过程中的一个重要方面。在选择PTC时，设计人员还应该考虑不兼容的USB 3.0设备的影响。如果图纸大于900mA，在最大工作温度下的保持电流需要大于最大可用电流。否则，PTC就有可能使该端口跳闸。

每个PTC能够在8A的短路故障中在5秒内跳闸。这对于满足UL60950-1有限电源规范以及USB 3.0规范中的5A电流限制非常重要。

选择最优PTC的最后一个关键参数是直流电阻。由于USB 3.0现在提供了最大的900mA电流，电路中的功耗需要最小化变得至关重要。此外，在Vbus上的组件间的电压降需要被最小化，特别是如果电路具有严格的电阻预算。图三所示的PTCs均采用了Lo-Rho电阻率PTC公式，对于USB 3.0应用来说是最佳的。

选择PTC的主要目的是确保设备在设计温度下的保持电流至少为900mA。力特选择了60℃作为最坏情况下的产品如图三所示。对于一个端口的应用，最优选择是零件编号0603L150SLYR，因为它提供了最小的形状因子，在60℃的最高设计温度下仍然可以支持所需的电流量（0.95A）。

对于设计需要保证更多裕度的情况，零件号1210L200 SLYR是一个很好的选择，因为它在60℃上保持1.29 A。用于2端口应用，其中设计者可以将两个端口连接在一起（总共1.8A输出），并使用一个PTC来保护两个端口，零件号1206L350 SLYR是一个很好的选择，因为它可以在60℃保持2.19A。所有建议的部件在8A故障电流下都能在5秒内跳闸，从而满足所有的安全考虑。

静电放电(ESD)保护

USB 3.0的额外数据对使系统面临更大的ESD威胁，因为它为电瞬变提供了更多可能的入口。

USB 3.0这样的接口可以通过多个机制暴露于ESD，包括用户触摸连接器上的任何一个引脚，或者连接到其中一个端口的开放式电缆上的任何一个引脚。即使现代IC芯片通常有一定程度的保护(通常在500V到2kV之间)，但是这些ESD电平是基于具有1500放电电阻的MIL-STD HBM模型。使用MIL-STD模型， 2kV脉冲在500V时更接近IEC 61000-4-2模型，它使用330 欧姆的放电电阻。HBM脉冲中可用的电流约为IEC模型在相同瞬态电压下可用电流的四分之一。

ESD事件通常可以达到15kV以上，并导致软故障、潜在损害或灾难性故障。为了提高现代接口端口的生存性，需要补充ESD保护。为了确定系统对外部ESD事件的免疫力，已经制定了几个测试标准，其中国际电工委员会(IEC) 61000-4-2是最被广泛认可的。本标准定义了与不同环境和安装条件相关的ESD测试级别，并建立了测试程序。当今的超高速USB 3.0端口必须能够经受住至少8 kV的直接接触ESD，这也是IEC 61000-4-2四级要求。

图四 IEC 61000-4-2 ESD电流波形

随着数据速率的提高，需要特别注意保护电路的元件的电容，但是在选择ESD保护装置时，系统设计者还需要注意许多其他重要的参数。这些包括:

•动态电阻和钳位电压

•击穿电压

•寄生电容

•最大防静电能力

•多脉冲能力

•封装

•关闭状态阻抗或泄漏电流

•设备配置和布局灵活性

目前市场上有多种不同的ESD抑制技术，如MLVs(多层变阻器)、聚合物ESD抑制器和硅基器件，选择合适的保护将决定USB 3.0端口是否能在ESD事件中存活。

设计人员必须特别注意设备电容、钳位电压和动态电阻，因为这些参数对于选择最佳的ESD保护至关重要。一些保护装置制造商设计他们的产品以最小的寄生电容来最大化信号的完整性，而另一些以更高的电容为代价来最大化钳位性能。

硅基器件如TVS二极管和二极管阵列具有最低的动态电阻，具有优越的钳位性能，并且能够保持非常低的寄生封装电容。图五展示了硅与MLV ESD保护技术的钳位性能。可以看出，硅基解决方案提供最低的钳位电压。

在图九中，USB 3.0的眼图测试结果显示了Littelfuse TVS二极管阵列结合低钳位和低电容，提供了保护USB 3.0应用的最佳技术。

图五 硅与压敏电阻器的钳位性能

TVS二极管阵列器件，如Littelfuse SP3012-06UTG提供了一个多通道ESD保护解决方案，这是一个理想的USB 3.0保护。Littelfuse SPA®设备工作在两个方面。首先，它们用二极管吸收瞬变电流，以控制电流；其次，雪崩式或齐纳二极管钳位电压水平。图七描述了使用Littelfuse SP3012-06UTG的USB 3.0 ESD保护解决方案。

图六 专为USB 3.0保护设计的Littelfuse SP3012-04UTG和SP3012-06UTG TVS二极管阵列

提供6行±12kV ESD保护，并能够保护所有USB 3.0数据线在一个单一的3.5x1.35mm封装中，Littelfuse SP3012-06UTG允许设计师不再担心使用多个ESD保护器件，它占用宝贵的空间。此外，SP3012的动态电阻极低，只有0.4欧姆。这为USB 3.0芯片组或对过电压事件非常敏感的收发芯片提供了最好的钳位性能。

图七 用SP3012器件进行USB 3.0 ESD保护

另外，对于喜欢实施两个设备解决方案的设计者来说，SP3012-04UTG和SP3003-02UTG被推荐用于保护六条数据线（见图八）。SP3003保护了传统的D+/D-对，而SP3012保护了两个超高速差分对。

图八 带有SP3012和SP3003的USB 3.0 ESD保护

信号的完整性

维持USB 3.0数据完整性是至关重要的，任何增加的容量都可能导致信号失真和降低信号可靠性。描述ESD抑制器的寄生电容对信号完整性的影响的一种方法是进行眼图测试。这个测试包括重复采样一个数字信号，并在示波器上显示结果的眼睛图案。掩模通常用于定义可接受的信号质量和顺应性。

图九 SP3012系列在5Gbps的眼图

图九显示了使用5Gbps USB 3.0符合性测试模式和掩模的Littelfuse SP3012-06UTG的“通过”眼图；图十显示了评估板的PCB布局。为了模拟真实的USB 3.0数据路径，测试板设计了90欧姆差分信号对和USB 3.0连接器。

图十 SP3012-06UTG评估板

可以看出，信号在掩模范围内很好，并且保持了较宽的眼宽度，在系统的电容预算范围内为设计人员提供了灵活性。