基于USB3.0電路可靠性的PTC/ESD方案

USB 3.0傳輸速率高達(dá)5Gbit/s，且電源匯流排也有高達(dá)900毫安培的最大輸出電流，因此電路電氣瞬變和過流故障的預(yù)防極為重要，設(shè)計(jì)人員必須慎選適當(dāng)?shù)臒崦綦娮瑁≒TC）和靜電放電（ESD）方案，才能確保訊號(hào)完整性，并降低系統(tǒng)故障風(fēng)險(xiǎn)。

通用序列匯流排（USB）規(guī)范自1996年發(fā)布以來，截至2012年為止已累積超過三十五億個(gè)電腦周邊設(shè)備的USB連接裝置出貨量。2010年，當(dāng)?shù)谝慌г甎SB 3.0規(guī)格的裝置上市，銷售量就達(dá)到約一百萬個(gè)，2012年更一舉增長(zhǎng)至五百萬個(gè)左右，足見其市場(chǎng)成長(zhǎng)相當(dāng)迅速。

相較于USB 2.0，USB 3.0擁有四個(gè)額外數(shù)據(jù)通道，傳輸速率高達(dá)5Gbit/s（圖1），而且電源匯流排也有高達(dá)900毫安培（mA）的最大輸出電流，這些新規(guī)格加上晶片尺寸不斷縮小，使得預(yù)防電路電氣瞬變和過流故障的問題變得更加重要且復(fù)雜，因?yàn)楦咚賯鬏斚?，即使只是很小的靜電放電（ESD）和短路事故，都將為系統(tǒng)帶來嚴(yán)重危害。


圖1 USB 3.0增加雙差分?jǐn)?shù)據(jù)對(duì)，藉以達(dá)成5Gbit/s高速傳輸速率

由于晶片靈敏度、訊號(hào)完整性和系統(tǒng)可靠性都是系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員非常關(guān)注的事情，因此USB 3.0系統(tǒng)上的寄生電容、低箝位電壓和低電阻都成為電路保護(hù)元件選擇的關(guān)鍵指標(biāo)。由于USB 3.0電源線可允許更大電流通過，電流保護(hù)器可有較低的電阻，在確保低壓降方面也變得至關(guān)重要。一項(xiàng)成功設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是要掌握保護(hù)技術(shù)，如熱敏電阻（PTC）、壓敏電阻和ESD方案等，本文將詳細(xì)解釋須考慮的設(shè)計(jì)因素。

USB 3.0飆高速電路保護(hù)挑戰(zhàn)更艱鉅

USB 2.0到USB 3.0最重要的物理變化是引進(jìn)SSRX+/SSRX和SSTx+/SSTx兩個(gè)差分?jǐn)?shù)據(jù)，并維持和現(xiàn)有D-/D+資料匯流排并列運(yùn)行的模式，這允許資料全雙工同時(shí)傳輸，改進(jìn)USB 2.0匯流排只能單個(gè)雙工傳輸?shù)膯栴}。此外，USB 3.0還將電源匯流排上的電流從500毫安培增加到900毫安培，擴(kuò)增外部設(shè)備供電的選擇，不再需要額外電源配套方案。

由于USB 3.0引進(jìn)額外的差分?jǐn)?shù)據(jù)，引發(fā)更多ESD防護(hù)需求，過去以分離元件保護(hù)每個(gè)單獨(dú)資料線的方式已不足以保護(hù)其電路，工程師面臨的挑戰(zhàn)是要找到更好的ESD和電壓瞬態(tài)保護(hù)方案，使敏感性資料線在沒有增加訊號(hào)畸變電容的情況下也能得以保護(hù)?，F(xiàn)階段，業(yè)界大多采直接放在資料對(duì)中的新半導(dǎo)體陣列ESD保護(hù)裝置，同時(shí)保護(hù)傳統(tǒng)USB 2.0資料線，以及USB 3.0額外的資料線。

與此同時(shí)，USB 3.0規(guī)范第11.4.1.1.1中規(guī)定，為安全起見，主機(jī)和所有自供電集線器須實(shí)現(xiàn)過電流保護(hù)，該集線器須檢測(cè)過電流情況，并將其報(bào)告至USB控制軟體。過電流限制機(jī)制須在毋須用戶干預(yù)的前提下自行復(fù)位，聚合物PTC和固態(tài)開關(guān)就可用于過電流限制的方法之一。

根據(jù)UL60950-1標(biāo)準(zhǔn)要求，USB 3.0可能還需要其他過電流保護(hù)功能，USB匯流排收發(fā)器晶片或電源管理晶片雖已提供部分電流限制功能，但是當(dāng)晶片不包含電流限制或附加保護(hù)功能時(shí)，電路設(shè)計(jì)人員須為電源匯流排設(shè)計(jì)電流限制PTC.

在電源匯流排上安裝聚合物PTC可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，還可幫助實(shí)現(xiàn)UL60950-1標(biāo)準(zhǔn)中第2.5節(jié)（有限電源，表2B）的規(guī)定，限制短路電流在5秒內(nèi)小于8安培。

相關(guān)的USB集線器應(yīng)用程式和USB 3.0的過電流保護(hù)規(guī)范如11.4.1.1.1條中陳述，如果下行埠的總電流超過預(yù)定值時(shí)，過電流保護(hù)電路可消除或減少所受影響的下行埠功率。預(yù)設(shè)值不能超過5安培，且須足夠大于所允許的最大埠電流或時(shí)間延遲的瞬態(tài)電流（例如開機(jī)、動(dòng)態(tài)連接或重新配置時(shí)），達(dá)成過電流保護(hù)。

肩負(fù)USB 3.0埠保護(hù)重任PTC選用規(guī)格大有學(xué)問

圖2所示為用于多埠集線器配置的PTC解決方案，表1則顯示推薦的單一埠和兩個(gè)埠中聯(lián)動(dòng)的PTC元件，并針對(duì)新的USB電池充電規(guī)范1.2版列出所需的PTC方案。


圖2 USB 3.0多埠集線器配置架構(gòu)圖

在選擇PTC做為USB埠保護(hù)時(shí)，還須考慮幾個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，包括最大電流須支援900毫安培、PTC位置的工作溫度、觸發(fā)速度和直流電阻等。表1中所有PTC都能保護(hù)最大電流為900毫安培的USB 3.0埠，就算最高工作溫達(dá)60℃也不會(huì)跳閘。

由于溫度變化急劇可能使PTC的觸發(fā)速率下降，所以這也是PTC選擇過程中的一個(gè)重要方面，設(shè)計(jì)師選擇PTC時(shí)應(yīng)考慮不相容的USB 3.0設(shè)備，且負(fù)載900毫安培電流的情況，使PTC在最高工作溫度下有超過900毫安培的最大可用電流，否則，PTC可能會(huì)錯(cuò)誤觸發(fā)。

每個(gè)PTC也要在電流8安培的時(shí)候，以小于5秒的速度進(jìn)行短路故障觸發(fā)，因此符合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安培是很重要的。

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毫安培，所以電路中的功耗須進(jìn)一步降低，此外，電源匯流排兩端元件的電壓降也須縮小，特別當(dāng)是該電路電阻預(yù)算很吃緊的時(shí)候。

整體而言，選擇PTC的主要目標(biāo)是確保電流設(shè)備在最高溫度下能承受至少900毫安培電流。以設(shè)定60℃為最糟糕的設(shè)計(jì)溫度情況為例，單埠應(yīng)用應(yīng)選擇最小尺寸且可支持最大所需電流0.95安培的方案，如表1中的第一個(gè)方案。若使用一個(gè)PTC保護(hù)兩個(gè)USB 3.0埠，表1中第三個(gè)方案是一個(gè)不錯(cuò)的選擇，因?yàn)樗?0℃時(shí)可保持2.19安培電流，滿足各方面的安全考慮。

增強(qiáng)USB 3.0電路保護(hù)外掛ESD元件勢(shì)在必行

USB 3.0增加的資料線因提供更多電氣瞬變的可能入口通道，也將承受更大的ESD威脅。盡管現(xiàn)代晶片往往都有受到一定程度的ESD自我保護(hù)功能（通常在500~2kV的范圍內(nèi)），但對(duì)USB 3.0電路而言仍是不足的，因此須導(dǎo)入額外的ESD保護(hù)元件。

靜電防護(hù)水準(zhǔn)的等級(jí)系根據(jù)有1，500歐姆（Ω）放電電阻的MIL-STD HBM模型分級(jí)。MIL-STD模型中，以一個(gè)2kV的脈沖相當(dāng)于有著330歐姆放電電阻，且電壓為500伏特的IEC 61000-4-2模型為基礎(chǔ)（圖3），目前人體放電模式（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(shí)，電壓往往高達(dá)15kV甚至更高，將導(dǎo)致軟體故障、電路潛在損害或?yàn)?zāi)難性故障，因此，額外的ESD保護(hù)是提高現(xiàn)代介面埠生存能力的必要條件。


圖3 IEC 61000-4-2 ESD電流波形

為確定外部ESD事故預(yù)防系統(tǒng)，業(yè)界已開發(fā)出幾個(gè)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，其中，IEC 61000-4-2條款受到最廣泛的認(rèn)可；該標(biāo)準(zhǔn)定義ESD在不同的環(huán)境和安裝條件中的測(cè)試規(guī)范，如今的USB 3.0埠在此規(guī)范下，須承受至少8kV接觸放電，達(dá)到IEC 61000-4-2條款第四級(jí)的要求。

USB 3.0擁有更高的資料速率，就特別須要注意元件的電流容量以保護(hù)電路，且系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員在選擇ESD保護(hù)元件時(shí)也須留意許多重要參數(shù)，包括動(dòng)態(tài)電阻、箝位元電壓、擊穿電壓、寄生電容、最大ESD能力、多脈沖能力、封裝形狀、關(guān)斷狀態(tài)的阻抗或泄漏電流、設(shè)備電路配置和布局的靈活性等。

現(xiàn)階段，市場(chǎng)上有幾種不同的防靜電抑制技術(shù)，例如多層陶瓷壓敏電阻（MLV），聚合物ESD抑制器和半導(dǎo)體的ESD抑制技術(shù)，是否選擇正確的元件將決定USB 3.0埠的設(shè)計(jì)可靠度。由于ESD保護(hù)元件的電容、箝位元電壓和動(dòng)態(tài)電阻最為重要，一些保護(hù)元件制造商已實(shí)現(xiàn)以最小寄生電容提高訊號(hào)完整性的產(chǎn)品，同時(shí)有些產(chǎn)品的箝位元性能也達(dá)到最大化，但代價(jià)是電容很高。

舉例來說，瞬態(tài)電壓抑制（TVS）二極體和二極體陣列有較低的動(dòng)態(tài)電阻，提供卓越的箝位元性能，并能保持非常低寄生封裝電容。圖4顯示矽方案的箝位元性能與MLV ESD保護(hù)技術(shù)的比較，以矽為基礎(chǔ)的解決方案的箝位元電壓更低。


圖4矽電阻與壓敏電阻的箝位元性能比較

TVS二極體陣列提供多通道ESD保護(hù)解決方案（圖5），成為目前USB 3.0保護(hù)的最佳選擇。該類元件能吸收瞬態(tài)電流，并瀉放電流，同時(shí)透過雪崩或齊納二極體箝制電壓位準(zhǔn)。如圖6所示為USB 3.0靜電保護(hù)方案架構(gòu)圖。


圖5保護(hù)USB 3.0電路的TVS二極體陣列示意圖


圖6上為USB 3.0靜電保護(hù)方案架構(gòu)圖

USB 3.0電路保護(hù)元件對(duì)維護(hù)資料完整性也非常重要，任何附加電容都可導(dǎo)致訊號(hào)失真，并降低訊號(hào)的可靠性。測(cè)試靜電抑制器的寄生電容對(duì)訊號(hào)完整性影響的主要方法是進(jìn)行眼圖測(cè)試，此測(cè)試須重復(fù)采樣數(shù)位訊號(hào)，并在示波器上顯示出眼圖，用來定義可接受的訊號(hào)品質(zhì)和依從性。