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因应USB3.0不同外围设备的保护需求 [复制链接]

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发表于 2020-7-15 18:13:17 |只看该作者 |倒序浏览

为因应各种不同外围设备的需求,USB3.0除了提升速度外,也提高电力供应的要求。本文先针对业界常用的过电流保护组件分子正温度系数热敏电阻(PPTC)做介绍,并于在USB 3.0的应用下比较与低电压半导体开关的差别。

此外,文中也将说明USB 3.0USB 2.0的差异,提出USB 3.0过电流保护PPTC组件应用建议,并以新一代薄型低电阻表面黏着PPTC组件为例说明新的导体材料开发进程,透过运用新材料,可为当前的超薄型电子产品提供良好过电流保护。

由于电子产品对速度、功率的要求不断提高,自去年11USB 3.0规格底定后,除了速度提升至5Gbps外,对电力供应的要求也从500mA提高到900mA。不管是在系统端或是组件端,新的速度和功率都带来了全新挑战。新规格涵盖了新的数据传输协议、电源管理架构,到确保数据成功地在主机及装置间传输。不过,在这些USB 3.0的升级中,唯一没有改变的,就是对于安规的要求。系统工程师现在需要分配足够的电力到这些端口,并谨慎地整合过电流保护功能。

目前I/O端口的设计通常有整合电源线,直接供电到外围设备,或提供电力读取装置端中EEPROM的数据。为了防止在未连接的状态下发生短路,或连接上装置后发生的异常状况造成过电流,这些电源接脚都需要做好保护的功能。PPTC是非常适合提供此种保护的组件之一,而且也成为了电子设计中的主流,符合各种规范需求或安规要求

用于过电流保护的PPTC

PPTC是一种非线性、根据温度而变化的电阻。一般情况下,PPTC组件拥有极高的导电度,所以电路可以正常运作。但是当过电流状况发生的时候,此高电流会在PPTC组件上产生足够的能量(焦耳热效应)以超过其转移温度,造成104106倍的电阻值弹跳。因此可排除过电流状况,达到保护电路及组件的目标。

USB 3.0的规范中,明确要求使用限电流组件作为电源端之保护,而PPTC组件及低电压半导体开关常被用来做此限电流的解决方式。大部分的时候,基于多种考虑,工程师比较偏好使用PPTC组件来防止电路受到损害。因为可支配的电流量在USB 3.0中提高了,限电流的组件需要通过更多电流,但却同时要保持一定的压降。表1为在USB 3.0应用中,PPTC组件与低压半导体组件的比较,在价格、阻值、最大故障电流能量及静电敏感度等方面均更具优势。

相较于USB 2.0USB 3.0建立了新的电源管理结构,并定义了新的连结状态及机制,以达到更好的整体电源效率。而在电源供应的分配上,3.0规格大致与2.0相同,但提升了电力需求且放宽了压降要求。SuperSpeed装置在与主机完成初始设定后,就可以使用到900mA的电流。在供电电压的要求上,主机上的根端口或HUB上的端口都从原本的4.75V降到了4.45V,且由USB供电的装置必须在4.00V就要能够正常运作。其他规定像是瞬间电流的**、主机休眠或待命模式下的限流等,除了更新电流配置到150mA或高功率的900mA外,其他要求都与旧规格一样严谨。

目前,针对USB 3.0的过电流保护,业界已出现了新的PPTC组件,可确保设计符合USB 3.0版规范要求。例如,尽管USB 3.0降低了在电源端的电压要求,但新一代PPTC组件仍可确保PPTC的压降在电流全载时不超过0.1V,除可确保与USB 2.0装置的兼容性以外,也为主板上其他组件或线路保留了更大的设计余裕。此外,新一代过电流保护组件皆能够在50以上高温时保持电流全载且不动作,避免PPTC组件因为温度的关系(thermal derating)而误动作,尤其是在桌面计算机的后端USB埠。

超低电阻PPTC材料

目前,业界已开发出能克服氧化问题的超低电阻PPTC材料及平台,解决了以金属镍粉为导体系统所面临的难题。以全威科技的表面黏着式QWP系列为例,厚度便降至0.75mm以下,除了电池保护线路模块(PCM)应用外,也为手机、行动网络装置(MID)或其他薄型电子产品开拓了更广泛的应用空间。


表:PPTC及半导体开关在1A应用下的比较。

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