基于USB3.0電路可靠性的PTC/ESD方案

　　肩負USB 3.0埠保護重任 PTC選用規格大有學問

　　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埠中聯動的PTC元件，并針對新的USB電池充電規范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圖

　　在選擇PTC做為USB埠保護時，還須考慮幾個關鍵參數，包括最大電流須支援900毫安培、PTC位置的工作溫度、觸發速度和直流電阻等。表1中所有PTC都能保護最大電流為900毫安培的USB 3.0埠，就算最高工作溫達60℃也不會跳閘。

　　由于溫度變化急劇可能使PTC的觸發速率下降，所以這也是PTC選擇過程中的一個重要方面，設計師選擇PTC時應考慮不相容的USB 3.0設備，且負載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可能會錯誤觸發。

　　每個PTC也要在電流8安培的時候，以小于5秒的速度進行短路故障觸發，因此符合UL60950-1有限電源規范以及把USB 3.0規范中電流限制在5安培是很重要的。

　　選擇最合適的PTC最后的關鍵參數是直流電阻。由于USB 3.0現在提供最大電流為900毫安培，所以電路中的功耗須進一步降低，此外，電源匯流排兩端元件的電壓降也須縮小，特別當是該電路電阻預算很吃緊的時候。

　　整體而言，選擇PTC的主要目標是確保電流設備在最高溫度下能承受至少900毫安培電流。以設定60℃為最糟糕的設計溫度情況為例，單埠應用應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中的第一個方案。若使用一個PTC保護兩個USB 3.0埠，表1中第三個方案是一個不錯的選擇，因為它在60℃時可保持2.19安培電流，滿足各方面的安全考慮。

　　增強USB 3.0電路保護 外掛ESD元件勢在必行

　　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。盡管現代晶片往往都有受到一定程度的ESD自我保護功能（通常在500~2kV的范圍內），但對USB 3.0電路而言仍是不足的，因此須導入額外的ESD保護元件。

　　靜電防護水準的等級系根據有1,500歐姆（Ω）放電電阻的MIL-STD HBM模型分級。MIL-STD模型中，以一個2kV的脈沖相當于有著330歐姆放電電阻，且電壓為500伏特的IEC 61000-4-2模型為基礎（圖3），目前人體放電模式（HBM）可用脈沖在相同的瞬態電壓是IEC模型可用的四分之一。發生靜電放電事故時，電壓往往高達15kV甚至更高，將導致軟體故障、電路潛在損害或災難性故障，因此，額外的ESD保護是提高現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事故預防系統，業界已開發出幾個測試標準，其中，IEC 61000-4-2條款受到最廣泛的認可；該標準定義ESD在不同的環境和安裝條件中的測試規范，如今的USB 3.0埠在此規范下，須承受至少8kV接觸放電，達到IEC 61000-4-2條款第四級的要求。