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      关于USB3.0的电路保护方案

      2020年01月16日 16:14 ? 次阅读

      最新USB 3.0协议(或“SuperSpeed USB”)被开发用于提供更高的数据传输速率,并通过支持每个端口上的更高电流水平提高供电能力。它包含新的电源管理功能,以及可向后兼容USB 2.0设备的新电缆连接器。最显著的变化是,4条附加的铜数据线被平行地增加到现有的USB 2.0总线中(如图1所示)。这些附加的铜数据线被用来传输超高速数据,但也会传输ESD(静电放电)和其它有害的瞬态电压。

      USB 3.0增加的电流和供电能力意味着需要新的电路保护方案。经过改进的电路保护方法可以帮助保护USB 3.0应用免受过流、过压及ESD瞬态电压带来的损害。

      过流保护

      USB 3.0通过两个部件提供电源:一个标准的主机(A型连接器)以及一种新型供电设备(Powered-B连接器)。最新SuperSpeed规范提高了可供给USB设备的电流总量(从0.5A提高到0.9A)。新的Powered-B连接器允许一个USB设备以高达1.0A的电流给另一设备充电。由于过流状态会影响电源总线,所有的电源(如主机、集线器和Powered-B设备)都必须提供过流保护。过流保护也是UL60950标准所要求的。

      与USB 2.0类似,所有类型的USB 3.0主机必须提供电源。USB 3.0的单个单元负载重定义为150mA,比USB 2.0的100mA略有增加。现在,一个USB 3.0主机必须能够每端口支持多达6个单元(900mA)。此外,USB 3.0集线器可能不再需要总线供电了。所有USB 3.0集线器现在必须每个端口都能够支持900mA的电流。

      此外,支持USB充电和USB 3.0的系统需要能承受更高电流的过流保护器件。USB充电器规范采用与USB 2.0相同的引脚配置,但允许更高的电流(每端口高达1.5A)。

      最后,USB 3.0定义了一种新的Powered-B连接器,其主要的好处是更好的便携性。Powered-B连接器允许去除USB电缆和额外的电源。使用Powered-B连接器的USB设备现在可为另一USB设备供电。通过提供两个额外的接插口,新的连接器可使一个电源(带有Powered-B连接器插座)能向另一设备(带B型供电连接器插头)提供高达1000mA的电流。例如,一台打印机可给一台无线适配器供电,从而无需一条有线USB连接。

      在所有这些应用中,高分子聚合物正温度系数器件(PPTC)为USB过流保护提供了最具性价比的解决方案。PPTC器件可用于USB 3.0主机应用、USB 3.0集线器应用、USB充电器应用,以及USB 3.0 Powered-B连接器应用中的电流限流保护。在USB电源的VBUS端口安装的PPTC PolySwitch器件可在短路时限流,防止因下游电路突然短路造成的过流损坏,并有助于实现UL60950标准。

      USB电源端口上的过压保护

      尽管USB定义了电源总线,但这并没有消除与过压相关的风险。过压事件可由一系列失效条件导致,包括用户错误、稳压很差的第三方电源、热拔出事件和电感瞬变等。接口和充电系统也会产生负电压,这会导致未受保护的外部设备受损。尽管USB 2.0 电源的标称误差为5V±5%,但许多采用USB 2.0接口的大规模系统仍被设计成可承受16V甚至28V电压(连续)。

      由于USB 3.0提高了正常工作电流及其上限,因此,针对传统0.5A 端口设计的过压保护器件可能就不太适合用于保护新的每端口0.9A的USB 3.0接口。当一个0.9A主机拔出时,高压感应尖峰就会产生,它可能会损坏总线上的其它设备。一个设计良好的总线将能吸收这些尖峰电压,从而保护设备免受尖峰电压的损害。

      泰科电子的内部测试显示,热插拔引起的瞬态电压尽管非常短暂,但电压值可超过16~24V。内部测试还发现,开路电压大幅超过USB规范要求(5V±5%)的第三方充电器,可能对敏感的电子设备构成威胁。将过压保护器件(如PolyZen聚合物保护齐纳二极管器件)放置在所有USB供电设备的电源输入端(特别是在VBUS端口),有助于保护设备免遭过压事件造成的损坏。

      对于USB 3.0设备,PolyZen器件可安装在USB输入端口的VBUS上、Powered-B插头的DPWR端口、桶形插座电源端口、以及USB集线器的VBUS输入端。

      必须注意,USB 3.0不再支持总线供电集线器而仅支持自供电集线器。在USB 3.0应用中,需要一个电源来为集线器的所有端口供电。如果在集线器的输入端使用一个直流电源连接器,那么就必须安装一个电路保护器件来保护集线器免受过压事件的损害,如未稳流或错误电源、反向电压和瞬态电压。

      图2显示了如何在VBUS上安装PolyZen器件以及在一个典型USB电路上安装6个低电容值PESD器件,才能帮助提供综合过压保护方案。

      ESD保护

      瞬态过压经常是由ESD引起的,它可能会出现在电源总线和数据线上。尽管现代IC可对抗高达2000V的高压,但人体很容易产生出高达25000V的静电。在I/O端口保护应用中,数据线上的ESD器件必须具备以下特性:快速箝位、快速恢复响应和极低电容值。

      现有的USB 2.0协议允许高达480Mbps的数据传输速率,并支持即插即用、热插拔安装和运行。与之相比,USB 3.0规范允许高达5Gbps的数据传输速率,并向后支持较低速的USB 2.0规范。

      USB 3.0增加了4个接到连接器的新引脚,以支持新的SuperSpeed接口:USB3_TX(差分对)和USB3_RX(差分对)。

      USB 3.0的SuperSpeed接口与USB 2.0相比,要求更低电容值的ESD保护器件。增加极低电容值的PESD器件可以帮助最小化插入损耗,以满足USB 3.0的眼图要求。凭借0.2pF的典型电容值和大于6GHz的平坦插损区域,PESD器件能够支持USB 3.0应用的要求,并处理大量ESD瞬态电压冲击。 与大多数传统的MLV(多层变阻器)或TVS(瞬态电压抑制器)二极管技术相比,PESD器件可提供更低的电容值,而且其低触发和低箝位电压也有助于保护敏感的电子元件。PESD器件适用于USB 2.0高速D+和D-信号线以及USB 3.0 SuperSpeed信号线的ESD保护。在电路保护方案中增加PESD器件可提升保护级别,从而满足IEC61000-4-2规范要求。该规范规定接触模式的ESD测试标准是8kV(典型)/15kV(最大),空气放电模式的ESD测试标准是15kV(典型)/25kV(最大)。

        最新USB3.0协议(或“SuperSpeedUSB”)被开发用于提供更高的数据传输速率,并通过支持每个端口上的更高电流水平提高供电能力。它包含新的电源管理功能,以及可向后兼容USB2.0设备的新电缆和连接器。最显著的变化是,4条附加的铜数据线被平行地增加到现有的USB2.0总线中(如图1所示)。这些附加的铜数据线被用来传输超高速数据,但也会传输ESD(静电放电)和其它有害的瞬态电压。图1:修订后的USB3.0协议增加了一条双单工数据通道。USB3.    最新USB 3.0协议(或“SuperSpeed USB”)被开发用于提供更高的数据传输速率,并通过支持每个端口上的更高电流水平提高供电能力。它包含新的电源管理功能,以及可向后兼容USB 2.0设备的新电缆和连接器。最显著的变化是,4条附加的铜数据线被平行地增加到现有的USB 2.0总线中(如图1所示)。这些附加的铜数据线被用来传输超高速数据,但也会传输ESD(静电放电)和其它有害的瞬态电压。        USB 3.0增加的电流和供电能力意味着需要新的电路保护方案。经过改进的电路保护方法可以帮助保护USB 3.0应用免受过流、过压及ESD瞬态电压带来的损害。    过流保护    USB 3.0通过两个部件提供电源:一个标准的主机(A型连接器)以及一种新型供电设备(Powered-B连接器)。最新SuperSpeed规范提高了可供给USB设备的电流总量(从0.5A提高到0.9A)。新的Powered-B连接器允许一个USB设备以高达1.0A的电流给另一设备充电。由于过流状态会影响电源总线,所有的电源(如主机、集线器和Powered-B设备)都必须提供过流保护。过流保护也是UL60950标准所要求的。    与USB 2.0类似,所有类型的USB 3.0主机必须提供电源。USB 3.0的单个单元负载重定义为150mA,比USB 2.0的100mA略有增加。现在,一个USB 3.0主机必须能够每端口支持多达6个单元(900mA)。此外,USB 3.0集线器可能不再需要总线供电了。所有USB 3.0集线器现在必须每个端口都能够支持900mA的电流。    此外,支持USB充电和USB 3.0的系统需要能承受更高电流的过流保护器件。USB充电器规范采用与USB 2.0相同的引脚配置,但允许更高的电流(每端口高达1.5A)。    最后,USB 3.0定义了一种新的Powered-B连接器,其主要的好处是更好的便携性。Powered-B连接器允许去除USB电缆和额外的电源。使用Powered-B连接器的USB设备现在可为另一USB设备供电。通过提供两个额外的接插口,新的连接器可使一个电源(带有Powered-B连接器插座)能向另一设备(带B型供电连接器插头)提供高达1000mA的电流。例如,一台打印机可给一台无线适配器供电,从而无需一条有线USB连接。    在所有这些应用中,高分子聚合物正温度系数器件(PPTC)为USB过流保护提供了最具性价比的解决方案。PPTC器件可用于USB 3.0主机应用、USB 3.0集线器应用、USB充电器应用,以及USB 3.0 Powered-B连接器应用中的电流限流保护。在USB电源的VBUS端口安装的PPTC PolySwitch器件可在短路时限流,防止因下游电路突然短路造成的过流损坏,并有助于实现UL60950标准。    USB电源端口上的过压保护    尽管USB定义了电源总线,但这并没有消除与过压相关的风险。过压事件可由一系列失效条件导致,包括用户错误、稳压很差的第三方电源、热拔出事件和电感瞬变等。接口和充电系统也会产生负电压,这会导致未受保护的外部设备受损。尽管USB 2.0 电源的标称误差为5V±5%,但许多采用USB 2.0接口的大规模系统仍被设计成可承受16V甚至28V电压(连续)。    由于USB 3.0提高了正常工作电流及其上限,因此,针对传统0.5A 端口设计的过压保护器件可能就不太适合用于保护新的每端口0.9A的USB 3.0接口。当一个0.9A主机拔出时,高压感应尖峰就会产生,它可能会损坏总线上的其它设备。一个设计良好的总线将能吸收这些尖峰电压,从而保护设备免受尖峰电压的损害。    泰科电子的内部测试显示,热插拔引起的瞬态电压尽管非常短暂,但电压值可超过16~24V。内部测试还发现,开路电压大幅超过USB规范要求(5V±5%)的第三方充电器,可能对敏感的电子设备构成威胁。将过压保护器件(如PolyZen聚合物保护齐纳二极管器件)放置在所有USB供电设备的电源输入端(特别是在VBUS端口),有助于保护设备免遭过压事件造成的损坏。    对于USB 3.0设备,PolyZen器件可安装在USB输入端口的VBUS上、Powered-B插头的DPWR端口、桶形插座电源端口、以及USB集线器的VBUS输入端。    必须注意,USB 3.0不再支持总线供电集线器而仅支持自供电集线器。在USB 3.0应用中,需要一个电源来为集线器的所有端口供电。如果在集线器的输入端使用一个直流电源连接器,那么就必须安装一个电路保护器件来保护集线器免受过压事件的损害,如未稳流或错误电源、反向电压和瞬态电压。    图2显示了如何在VBUS上安装PolyZen器件以及在一个典型USB电路上安装6个低电容值PESD器件,才能帮助提供综合过压保护方案。        ESD保护    瞬态过压经常是由ESD引起的,它可能会出现在电源总线和数据线上。尽管现代IC可对抗高达2000V的高压,但人体很容易产生出高达25000V的静电。在I/O端口保护应用中,数据线上的ESD器件必须具备以下特性:快速箝位、快速恢复响应和极低电容值。    现有的USB 2.0协议允许高达480Mbps的数据传输速率,并支持即插即用、热插拔安装和运行。与之相比,USB 3.0规范允许高达5Gbps的数据传输速率,并向后支持较低速的USB 2.0规范。    USB 3.0增加了4个接到连接器的新引脚,以支持新的SuperSpeed接口:USB3_TX(差分对)和USB3_RX(差分对)。    USB 3.0的SuperSpeed接口与USB 2.0相比,要求更低电容值的ESD保护器件。增加极低电容值的PESD器件可以帮助最小化插入损耗,以满足USB 3.0的眼图要求。凭借0.2pF的典型电容值和大于6GHz的平坦插损区域,PESD器件能够支持USB 3.0应用的要求,并处理大量ESD瞬态电压冲击。 与大多数传统的MLV(多层变阻器)或TVS(瞬态电压抑制器)二极管技术相比,PESD器件可提供更低的电容值,而且其低触发和低箝位电压也有助于保护敏感的电子元件。PESD器件适用于USB 2.0高速D+和D-信号线以及USB 3.0 SuperSpeed信号线的ESD保护。在电路保护方案中增加PESD器件可提升保护级别,从而满足IEC61000-4-2规范要求。该规范规定接触模式的ESD测试标准是8kV(典型)/15kV(最大),空气放电模式的ESD测试标准是15kV(典型)/25kV(最大)。        综合电路保护方案    在USB应用中,一个综合保护方案可用来增强对高电流、高电压和ESD瞬态电压冲击的保护。图3和4显示了适用于USB 3.0和Powered-B连接器设计的电路保护器件。        器件推荐    PPTC过流保护器件可帮助设计师满足USB 3.0规范的新的大电流要求,并提供一种简单的、节省空间的限流解决方案。PESD器件可提供高速数据传输应用所需的低电容值(典型值0.2pF),并可提供目前电子工业最流行的外形尺寸。PolyZen器件既可为设计师提供传统箝位二极管的简单性,又消除了持续过压所需的大型散热片。该器件可保护设备免受因使用不正确的电源、瞬态电压和其它因用户错误而引起的损害。z

      综合电路保护方案

      在USB应用中,一个综合保护方案可用来增强对高电流、高电压和ESD瞬态电压冲击的保护。图3和4显示了适用于USB 3.0和Powered-B连接器设计的电路保护器件。

      器件推荐

      PPTC过流保护器件可帮助设计师满足USB 3.0规范的新的大电流要求,并提供一种简单的、节省空间的限流解决方案。PESD器件可提供高速数据传输应用所需的低电容值(典型值0.2pF),并可提供目前电子工业最流行的外形尺寸。PolyZen器件既可为设计师提供传统箝位二极管的简单性,又消除了持续过压所需的大型散热片。该器件可保护设备免受因使用不正确的电源、瞬态电压和其它因用户错误而引起的损害。

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      在帮助选择运算放大器和仪表放大器时,我经常听到这样的声音:“我需要真正的高输入阻抗。”哦,真是如此吗....
      发表于 2019-10-04 13:17? 1157次阅读
      选择运算放大器和仪表放大器时你到底需不需要高输入...

      PCB布板的ESD预防措施

      来源于身体、自然环境乃至电子产品內部的静电感应针对高精密的集成电路芯片会导致各种各样损害,比如透过电....
      发表于 2019-10-03 17:11? 768次阅读
      PCB布板的ESD预防措施

      电子系统抗扰度测试分析

      今天,在最先进的电子电路中找到故障正变得越来越难。除了更加复杂(并且因此一些高得多的潜在故障源),小....
      发表于 2019-10-03 09:23? 860次阅读
      电子系统抗扰度测试分析

      ESD抑制器和TVS管的性能参数了解

      当我们在遇到ESD静电问题时,通常会在敏感线路或者外接的信号必经之路通过增加ESD静电二极管或者tv....
      发表于 2019-10-03 08:39? 567次阅读
      ESD抑制器和TVS管的性能参数了解

      USB 2.0和USB 3.0的基本区别对比分析

      USB 2.0和USB 3.0的基本区别是带宽。USB 2.0所提供的理论带宽是480Mbps。事实....
      发表于 2019-09-29 15:57? 559次阅读
      USB 2.0和USB 3.0的基本区别对比分析

      基于企业公司内部EMC测试设备的优点和缺点分析

      组建一个电磁兼容实验室的最小需求取决于公司的需要和财务状况。通常,公司将力求节省经费(在设备和人力资....
      发表于 2019-09-26 15:21? 238次阅读
      基于企业公司内部EMC测试设备的优点和缺点分析

      出现电气过载EOS时该如何保护模拟前端

      9月24日下午消息,小米公司在北京召开新品发布会,推出5G手机小米9 Pro 5G,小米MIX Al....
      发表于 2019-09-24 16:15? 4016次阅读
      出现电气过载EOS时该如何保护模拟前端

      汽车电子中的ESD保护应该怎样来设计

      汽车电子是当前一个热门开发领域,中国汽车市场的蓬勃发展为本土汽车电子产业带来了新的机遇。
      发表于 2019-09-19 15:09? 599次阅读
      汽车电子中的ESD保护应该怎样来设计

      电子设备中ESD静电的问题分析与防护措施

      静电是两种介电系数不同的物质磨擦时,正负极性的电荷分别积累在两个特体上而形成。当两个物体接触时,其中....
      发表于 2019-09-17 14:57? 289次阅读
      电子设备中ESD静电的问题分析与防护措施

      如何抑制手机射频通讯信号中的电磁干扰

      晶焱科技(Amazing Microelectronic)的技术团队在静电放电(ESD)保护技术上,....
      发表于 2019-09-02 11:56? 487次阅读
      如何抑制手机射频通讯信号中的电磁干扰

      PCB板的ESD如何来测试

      在做ESD放电测试时通常采用两种方法:接触放电和空气放电。
      发表于 2019-09-02 08:49? 256次阅读
      PCB板的ESD如何来测试

      PCB板ESD该怎样来设计

      从学习过的知识中可以知道,静电是一种自然现象,通常通过接触、摩擦、电器间感应等方式产生,其特点是长时....
      发表于 2019-08-27 11:29? 555次阅读
      PCB板ESD该怎样来设计

      esd如何在设计PCB时应用

      在PCB板的设计当中,可以通过分层、恰当的布局布线和安装实现PCB的抗ESD设计。
      发表于 2019-08-22 11:10? 139次阅读
      esd如何在设计PCB时应用

      用什么方法来在设计PCB时抗静电放电

      在pcb板的设计当中,可以通过分层、恰当的布局布线和安装实现PCB的抗ESD设计。
      发表于 2019-08-22 11:02? 127次阅读
      用什么方法来在设计PCB时抗静电放电

      PCB板的ESD你了解多少

      最近在做电子产品的ESD测试,从不同的产品的测试结果发现,这个ESD是一项很重要的测试。
      发表于 2019-08-21 15:30? 228次阅读
      PCB板的ESD你了解多少

      微机保护装置及工作原理

      微机保护装置的数字核心一般由CPU、存储器、定时器/计数器、Watchdog等组成。微机保护的硬件电....
      发表于 2019-08-20 09:28? 652次阅读
      微机保护装置及工作原理

      发电机复压过流保护

      保护反应发电机电压﹑负序电压和电流大小,电流最好取自中性点侧,主要作为发电机相间短路的后备保护。当发....
      发表于 2019-08-20 09:20? 414次阅读
      发电机复压过流保护

      复压过流保护的原理

      首先负压闭锁逻辑包含两部分,第一部分是普通的过流保护,就是电力故障时电流增加,通过电流幅值来区分故障....
      发表于 2019-08-20 09:11? 867次阅读
      复压过流保护的原理

      ESD常用的三种模型及其防护设计

      ESD 敏感器件在装联和整机组装时,环境的 ESD 直接加载到器件,所以加工环境的 ESD 防护是至....
      发表于 2019-08-14 14:46? 1684次阅读
      ESD常用的三种模型及其防护设计

      分享个人的ESD保护9大措施

      最近在做电子产品的ESD测试,从不同的产品的测试结果发现,这个ESD是一项很重要的测试
      发表于 2019-08-12 11:11? 1221次阅读
      分享个人的ESD保护9大措施

      几种典型的通用ESD保护电路

      为了消除静电释放(ESD)对电子设备的干扰和破坏,需要采取多种技术手段进行防范。
      发表于 2019-08-12 10:57? 3900次阅读
      几种典型的通用ESD保护电路
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