- USB技術(shù)規(guī)格要求
- PPTC元件技術(shù)在USB中的應(yīng)用
- 保護(hù)電源開關(guān)技術(shù)在USB中的應(yīng)用
- PPTC元件主要可應(yīng)用于USB主機(jī)和USB自我供電集線器
- 保護(hù)電源開關(guān)元件用于USB電源匯流排中，控制輸至USB埠的電源
在通用串列匯流排（USB）技術(shù)規(guī)格中，明定USB電源管理提供電流限制和電源開關(guān)功能或提供正溫度系數(shù)熱敏電阻（PPTC）元件與固態(tài)開關(guān)功能，以作為可行之過電流保護(hù)法。與保險(xiǎn)絲相似的是，PPTC元件有助于保護(hù)電路免受過電流的損壞。它與保險(xiǎn)絲的不同之處在于電路斷電情況下，PPTC元件可自行復(fù)位并消除故障。除了這項(xiàng)自復(fù)功能之外，PPTC元件在USB應(yīng)用中擁有很多關(guān)鍵性的設(shè)計(jì)優(yōu)點(diǎn)，其中包括低電阻、快速動(dòng)作時(shí)間、低的功率損耗和固有的抗誤特性，這類元件提供的解決方案比採(cǎi)用同等的硅元件的方法成本更低。
採(cǎi)取了保護(hù)措施的電源開關(guān)元件將電流限制功能與電源開關(guān)整合在一起，常用于由匯流排供電的集線器、雙模式集線器和低功率主機(jī)中，還可用作沖擊電流限制裝置。它們將較低的電阻與反應(yīng)迅速的電流限制功能結(jié)合起來，對(duì)于功率受限的主機(jī)來說是一項(xiàng)實(shí)用且節(jié)省成本的解決方案。同時(shí)，它們具備的快速電流限制回應(yīng)功能可以進(jìn)一步減少在故障情況下系統(tǒng)電壓的降低，而且電源的開關(guān)功能也可以幫助節(jié)省更多的能量。
產(chǎn)業(yè)規(guī)格的要求
如圖1所示，USB技術(shù)規(guī)格規(guī)定了在USB產(chǎn)品中需具備的限制電流功能、電源開關(guān)功能，或同時(shí)提供這兩種功能。在需具備電流限制功能時(shí)，必須符合UL60950規(guī)格，即在短路或其他故障的情況下，電流輸出必須在60秒內(nèi)限制在低于5A的強(qiáng)度。USB技術(shù)規(guī)格還定義了容許電壓輸出的標(biāo)準(zhǔn)以及對(duì)于系統(tǒng)中總電壓降的限制。
1.可依多埠共用或單埠基準(zhǔn)上進(jìn)行設(shè)計(jì)
2.雙模式集線器可以用作雙電源集線器或匯流排供電集線器。
PPTC元件技術(shù)
正溫度系數(shù)熱敏電（PPTC）保護(hù)元件採(cǎi)用半晶態(tài)聚合物和導(dǎo)電性顆粒制成。在正常溫度下，這些導(dǎo)電性顆粒形成位于聚合物中形成低阻值的電鏈路圖（圖2）。不管其熱量來自流經(jīng)該元件的大電流還是環(huán)境溫度的上升，在溫度上升到超過器件的開關(guān)溫度（Tsw）時(shí)，聚合物內(nèi)的晶體都會(huì)融化，形成非晶體物質(zhì)。在晶體物質(zhì)融化的過程中，其體積變大，造成導(dǎo)電性顆粒出現(xiàn)分離現(xiàn)象，并導(dǎo)致元件阻抗呈大幅度非線性增加。
圖2.在過電流或過熱情況下，PPTC元件通過從低阻值狀態(tài)轉(zhuǎn)換為高阻值狀態(tài)來保護(hù)電路
此時(shí)電阻可增加到原值的1000倍以上或更高倍數(shù)。電阻增加后，電路中的電流值減至可在故障情況下流動(dòng)的一個(gè)較低且穩(wěn)定的狀態(tài)，因而保護(hù)了設(shè)備。在元件轉(zhuǎn)變?yōu)楦咦柚禒顟B(tài)下，可稱之為“已動(dòng)作”。元件將保持已動(dòng)作（高阻值）狀態(tài)，直到故障清除并將設(shè)備的電源斷開，此時(shí)，導(dǎo)電性聚合物冷卻下來并重新結(jié)晶，將PPTC元件恢復(fù)到較低阻狀態(tài)下，而受影響的設(shè)備也恢復(fù)到正常運(yùn)作狀態(tài)。
PPTC元件主要可應(yīng)用于USB主機(jī)和USB自我供電集線器。這種自復(fù)式電流限制元件與USB元件的輸出電源埠串聯(lián)，在故障情況下的電流限制功能有助于防止電路受損，同時(shí)系統(tǒng)不會(huì)出現(xiàn)大幅度的電壓下降。而多埠的保護(hù)功能，可以在即使有一個(gè)埠端已經(jīng)短路的情況下，USB匯流排的其余部分還可以繼續(xù)發(fā)揮其功能。如圖3所示，USB應(yīng)用中的關(guān)鍵元件參數(shù)包括：動(dòng)作時(shí)間、電阻和功率損耗。
PPTC元件屬于USB電源匯流排中的電阻性串聯(lián)元件。當(dāng)元件處于非動(dòng)作狀態(tài)時(shí)，除了特殊狀況外，一般均呈現(xiàn)為一定的電阻值。因此，PPTC元件的電阻值越低，正常工作中電源與USB輸出引線間的電壓降就越小。在匯流排供電集線器的應(yīng)用中，電壓降必須小于0.1V，這就意味著包括所有串聯(lián)元件和電路板連線的總電阻必須小于1?（在100mA下）。在USB主機(jī)和自我供電的集線器中，只要求輸出電壓的最小值為4.75V，而未對(duì)電壓降進(jìn)行規(guī)定。
工作電流是指元件能夠在無限的時(shí)間內(nèi)保持不動(dòng)作狀態(tài)的最大穩(wěn)定電流。工作電流與溫度相關(guān)，設(shè)計(jì)人員必須考慮到元件所能承受的最高溫度。一般來說，較低的工作電流必然包含較高的電阻和較快的動(dòng)作時(shí)間，較高的工作電流相對(duì)提供較低的電阻。對(duì)于小功率應(yīng)用條件下，應(yīng)該盡量選擇具有最小工作電流的元件。[page]
動(dòng)作時(shí)間是PPTC在故障情況下對(duì)動(dòng)作速度的特性所進(jìn)行之描述。在小功率應(yīng)用條件下，動(dòng)作時(shí)間是關(guān)鍵因素，因?yàn)樵谡麄€(gè)系統(tǒng)的電壓降低或減弱且系統(tǒng)性能受到影響之前，小型電源維持在短路電流而不受損的時(shí)間可能很短。動(dòng)作時(shí)間數(shù)值與元件的設(shè)計(jì)、元件的大小和工作電流性能有很大關(guān)系，且還要考慮到電路板設(shè)計(jì)；即電路板上較寬的連線或較大的焊接器等同于散熱器，均可增加動(dòng)作時(shí)間?？s小焊接器的尺寸，選擇較低的工作電流能夠改善動(dòng)作時(shí)間性能。
對(duì)小功率設(shè)計(jì)來說，動(dòng)作功率損耗或漏電流是另一項(xiàng)需要重點(diǎn)考慮的因素。在PPTC元件動(dòng)作后，它將保持鎖定在高阻值狀態(tài)下，持續(xù)通過少量電流（功率耗散），直至元件退出動(dòng)作狀態(tài)為止。這一小股電流強(qiáng)度越低，則故障狀態(tài)下系統(tǒng)的功率損耗就越小。
測(cè)試的元件性能
•電阻：200mΩ
•工作電流：0.75A
•動(dòng)作電流：1.5A
•動(dòng)作時(shí)間：18毫秒（本元件）
•3分鐘后測(cè)量的漏電流：70毫安培（本元件）
圖3.PolySwitchnanoSMDM075元件處于故障條件下的回應(yīng)
保護(hù)電源開關(guān)技術(shù)
保護(hù)電源開關(guān)元件屬于硅元件，用于USB電源匯流排中，控制輸至USB埠的電源，并且有助于保護(hù)電路和元件，避免出現(xiàn)過電流現(xiàn)象。與PPTC元件相似，保護(hù)電源開關(guān)在過電流條件下執(zhí)行跳閘動(dòng)作，但是這一跳閘動(dòng)作的執(zhí)行分成兩個(gè)階段。元件在毫秒內(nèi)即“動(dòng)作”，將電流限制在一個(gè)預(yù)定的范圍內(nèi)，這一范圍高于額定的工作電流。隨后，通知控制器已經(jīng)發(fā)生了故障，控制器即可通過切換電源開關(guān)上的致能Pin來關(guān)閉這一埠。如果控制器未作出回應(yīng)，則電源開關(guān)就反覆執(zhí)行這一埠的開關(guān)狀態(tài)，以防止元件內(nèi)部出現(xiàn)過熱損壞。
USB應(yīng)用中的關(guān)鍵元件參數(shù)包括開關(guān)電阻、連續(xù)輸出電流、動(dòng)作時(shí)間、電流限制設(shè)定點(diǎn)、故障旗標(biāo)延遲、電流限制釋放點(diǎn)以及動(dòng)作電流提升。
導(dǎo)通電阻將影響系統(tǒng)電源壓降，它在元件不處于電流限制模式時(shí)進(jìn)行測(cè)量。較高的導(dǎo)通電阻可能導(dǎo)致元件上的電壓降過大，就有可能導(dǎo)致USB的性能不合格和設(shè)備功能不正常。硅元件的導(dǎo)通電阻是供電電壓的函數(shù)，最佳的元件應(yīng)該能夠在較低的匯流排電壓下將電阻和電壓降減少到最低程度，并且保持USB輸出的電壓是合格的。
連續(xù)輸出電流是設(shè)備未動(dòng)作時(shí)的電流值。對(duì)于小功率應(yīng)用中，這一參數(shù)應(yīng)該在符合USB技術(shù)規(guī)范的同時(shí)盡量降低。
動(dòng)作時(shí)間是指保護(hù)電源開關(guān)器件啟動(dòng)其電流限制回路的速度。硅元件所具有的極快的動(dòng)作時(shí)間使其成為功率限制應(yīng)用中的最佳選擇。與PPTC元件不同之處在于其動(dòng)作后的電流值能夠保持在相當(dāng)高的水準(zhǔn)，并由電流限制的設(shè)定值來決定。電流限制設(shè)定值是指硅元件一旦動(dòng)作后將電流所限制到的標(biāo)準(zhǔn)，其數(shù)值根據(jù)故障狀態(tài)的嚴(yán)重程度來變化，通常定義為故障電阻的函數(shù)。對(duì)于小功率的應(yīng)用，電流限制值應(yīng)該盡量設(shè)低。
將故障旗標(biāo)延遲功能整合在硅元件中，有助于防止“誤動(dòng)作”和改善客戶的滿意度。故障旗標(biāo)是指在特定的USB埠出現(xiàn)故障時(shí)，用于警示USB控制器的邏輯輸出。在熱插拔過程中，許多USB設(shè)備容性很高，能夠吸取相當(dāng)大的電流，并超過了規(guī)定限值。這造成元件觸發(fā)出短暫的電流限制信號(hào)，如果這一信號(hào)傳達(dá)到控制器，則會(huì)造成誤動(dòng)作。如圖4所示，採(cǎi)用9毫秒的故障旗標(biāo)延遲時(shí)間能夠防止出現(xiàn)這種暫態(tài)情況造成的故障旗標(biāo)觸發(fā)。
RYC8220－2M元件的技術(shù)規(guī)格為：
•導(dǎo)通電阻：95mΩ
•連續(xù)輸出電流：0.6A
•動(dòng)作時(shí)間：20μs
•電流限制值（0Ω故障）：0.9A
•故障旗標(biāo)延遲：9毫秒
•電流限制釋放點(diǎn)：0.6A
圖4. 被保護(hù)的電源開關(guān)在故障狀態(tài)下的工作過程
電流限制釋放點(diǎn)是一項(xiàng)對(duì)于最終用戶十分關(guān)鍵的參數(shù)，它規(guī)定了一個(gè)電流標(biāo)準(zhǔn)，硅元件達(dá)到這一電流標(biāo)準(zhǔn)時(shí)將解除其電流限制功能。這是一項(xiàng)設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮的重要因素，因?yàn)橐坏╇娏飨拗乒δ軉?dòng)，元件的電阻將出現(xiàn)很大幅度的增加，并可能影響到所連接USB元件的正常工作。如果此值設(shè)定過低，會(huì)使在熱插拔時(shí)進(jìn)入電流限制模式下的元件仍保持在動(dòng)作狀態(tài)下，而導(dǎo)致USB功能無法正常運(yùn)作。通過將電流限制釋放點(diǎn)設(shè)定到500mA以上，被保護(hù)的電源開關(guān)將在USB元件恢復(fù)至正常工作電流標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，停止限制電流。
在動(dòng)作之后，埠處最初的功率耗散是硅元件限制電流的函數(shù)。如果此元件可以在故障狀態(tài)下關(guān)斷，則埠的電流消耗和功率消耗可以忽略不計(jì)。如果控制電路無法執(zhí)行這項(xiàng)功能（例如致能Pin在高電位啟動(dòng)的元件一直接在高電位上，或者電源開關(guān)功能并未內(nèi)置此功能在元件之中時(shí)），則絕大多數(shù)硅元件將繼續(xù)對(duì)電流進(jìn)行限制，直至其達(dá)到內(nèi)部溫度門檻。在達(dá)到這個(gè)溫度門檻后，元件將開始對(duì)埠進(jìn)行防止過熱的循環(huán)週期。在這種狀態(tài)下的平均埠消耗電流是熱循環(huán)週期此和電流限制的函數(shù)。對(duì)于使用硅元件的小功率應(yīng)用，重要之處在于配備正確的開/關(guān)電路以防止過高的“動(dòng)作”狀態(tài)下的消耗功率。
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電源保護(hù)開關(guān)能提高可靠性并減少零件的數(shù)量
電源保護(hù)開關(guān)可以整合許多的檢測(cè)和保護(hù)功能，能夠提高性能并減小零件的數(shù)量。圖5中對(duì)常用的硅電源開關(guān)與Raychem的PowerSwitch進(jìn)行比較。
圖5.常用電源開關(guān)導(dǎo)入過程與保護(hù)電源開關(guān)導(dǎo)入過程的對(duì)比.
在常用的電源開關(guān)實(shí)施方案中，電容器和電阻器被用于在故障旗標(biāo)信號(hào)中產(chǎn)生時(shí)間延遲，而Raychem的PowerSwitch內(nèi)置了這一特性，并且避免了在電路板上另外設(shè)置電路。故障旗標(biāo)延遲能夠防止沖擊電流導(dǎo)致埠端發(fā)生誤動(dòng)作，并使所連接的設(shè)備能夠開始正常運(yùn)作。為了進(jìn)一步減少外部零件的數(shù)量，Raychem的PowerSwitch分別為啟動(dòng)引線和標(biāo)志引線（FLGA和FLGB）集成了上拉和下拉電阻器。
Raychem的PowerSwitch將故障標(biāo)志輸出信號(hào)設(shè)置在CMOS級(jí)。這一點(diǎn)對(duì)于低成本實(shí)現(xiàn)方案來說是非常關(guān)鍵的，因?yàn)榈统杀痉桨钢械囊恍┛刂破鳠o法支援5V的輸入信號(hào)。通過提供對(duì)CMOS級(jí)輸出信號(hào)的支援，便不再需要外部分壓網(wǎng)路。
Raychem的PowerSwitch也利于對(duì)于單獨(dú)埠的保護(hù)，改善了客戶的使用滿意度。在檢測(cè)到真正的過電流狀態(tài)時(shí)，出現(xiàn)故障的埠端關(guān)閉，而其余的埠不受影響。圖6說明了對(duì)于單獨(dú)埠的保護(hù)實(shí)現(xiàn)過程，圖中將1Ω的負(fù)載連接到通道A上來模擬5A的過電流狀態(tài)，同時(shí)將185mA的連續(xù)負(fù)載電流施加于通道B上來類比正常的設(shè)備工作狀態(tài)。
圖6.單獨(dú)的過電流/過熱保護(hù)協(xié)調(diào)
PowerSwitch電源開關(guān)元件檢測(cè)到了通道A的故障，并開始限制電流。而只有在通道A，PowerSwitch將真正地開始ON/OFF循環(huán)週期直至故障現(xiàn)象消失。而通道B上的連續(xù)電流處于技術(shù)規(guī)范之內(nèi)，其工作保持不受影響。
這項(xiàng)單獨(dú)埠的保護(hù)功能也影響到了功率消耗量，并允許限制點(diǎn)處于最低值以減少故障狀態(tài)下功率的消耗。由于每個(gè)埠端均進(jìn)行獨(dú)立性保護(hù)，最大預(yù)計(jì)電流在500mA或以下，這與多埠共用保護(hù)方式的差異是相當(dāng)大的，多埠方式是以1A的連續(xù)電流用1個(gè)通道保護(hù)2個(gè)埠。
對(duì)于小功率應(yīng)用而言，具備能使某個(gè)埠運(yùn)作或停止運(yùn)作的功能是很重要的特性。在故障狀態(tài)下，硅元件將進(jìn)入電流限制模式，以防止出現(xiàn)極大的電流實(shí)波和電壓降，但是仍能允許較大電流流經(jīng)埠。如果這一埠不能禁用，則硅元件將真正進(jìn)入一個(gè)過熱循環(huán)週期。熱循環(huán)週期能夠降低總功率的消耗，但每個(gè)通道的功率仍將超過1W。如圖6所示，在保護(hù)電源開關(guān)通道A能夠由控制器關(guān)斷的情況下，能夠使一個(gè)埠的電流消耗下降到10μA的水平。
在USB的設(shè)計(jì)中，另一項(xiàng)重要的考慮因素是隨著電壓的下降，電阻值也會(huì)下降。隨著供電電壓的下降，電壓降問題顯得更加突出。一般來說，電壓下降將導(dǎo)致電源開關(guān)的導(dǎo)通電阻增加，這是一種不期望的特性。但Raychem的PowerSwitch元件的電阻卻能夠隨著供電電壓的下降而下降，因而避免這不利特性。如圖7所示，在匯流排電壓較高時(shí)，PowerSwitch能夠減少輸出電流值，提升電源的效率和電池的使用壽命。在匯流排電壓較低時(shí)，PowerSwitch兩端的電壓降也會(huì)降低，這樣USB功能就能繼續(xù)工作一段更長(zhǎng)的時(shí)間。
圖7. 採(cǎi)用PowerSwitch元件后，其電阻值隨著輸入電壓的下降而下降
在故障狀態(tài)下的自復(fù)式電流限制功能有助于防止電路損壞、系統(tǒng)的壓降與週邊系統(tǒng)故障，并有助系統(tǒng)滿足UL的安全標(biāo)準(zhǔn)。PPTC元件是一種成本較低的電流限制解決方案，適用于桌上型電腦、膝上型電腦和自備電源集線器。採(cǎi)用PPTC元件可對(duì)單個(gè)USB埠提供保護(hù)功能，并能節(jié)省更多能量，增強(qiáng)整個(gè)系統(tǒng)的可靠性。
在匯流排供電的集線器、雙模式的集線器以及低功率主機(jī)中，PowerSwitch元件是最為常用的解決方案。這種元件還可用于USB設(shè)備中作為沖擊電流限制元件。PowerSwitch元件內(nèi)置了包括電源開關(guān)功能的電流限制功能，提供較低的導(dǎo)通電阻和快速的電流限制特性。這些特性均有其應(yīng)用在功率有限的主機(jī)中。在這種主機(jī)中加入電源開關(guān)功能，就可以通過關(guān)閉出現(xiàn)故障的埠端來作最大限度地節(jié)省能量。
