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如何保护USB免受电源浪涌的影响？

来源：发布日期 2020-05-11 11:27:44浏览：-

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通用串行总线（USB）已成为互连不同设备的首选连接方案，其中许多设备提供人机接口支持，对许多不同类型的外围设备（可以是自供电或总线供电）的支持要求对目标设备以及总线本身进行严格的保护。

例如，无论是标准的UL60950还是USB规范本身，都需要对USB供电设备进行过流保护。还需要良好的静电放电（ESD）支持，以确保设备和主机不受插入设备或用户用USB连接器中裸露的针脚引起的尖峰影响。

USB外设的设计给工程师带来了一些挑战，最新版本的USB规范允许很高的数据速率，这对系统设计的各个方面（例如信号完整性）造成了负担。同时，能够从实时系统中插入和拔出设备的功能-为用户提供了轻松添加和删除人机界面及其他设备的方式-意味着需要保护连接器后面的精密电子设备免受突然损坏的影响。引脚与主机系统接触或断开会导致电涌，设计人员还需要考虑用户触摸USB连接器或电缆的引脚所引起的静电放电（ESD）的影响。

为了支持高数据速率和整体高性能，IC供应商已转向基于越来越精细的几何形状的半导体工艺。工艺几何尺寸缩小的结果是ESD鲁棒性下降，要求设计人员在连接器附近实施保护措施。

USB规范为设计人员在实现主机和设备时提供了多种选择，从电源角度来看，可以通过两种方式配置USB端口，它们可以是自供电端口或总线供电端口。许多用户界面设备（例如键盘）可能包含低速USB端口，以使用户更容易将鼠标和其他定点设备连接到上游系统。

专为USB 3.0设计的设备不能充当总线供电的集线器-如果它们提供集线器服务，则需要自供电。USB 3.0增加了可提供给外围设备的能量，这是因为认识到最新版本标准所支持的更高性能水平通常伴随着功耗的增加。

自供电的USB集线器必须能够在其每个端口的USB电源轨– Vbus上提供高达500 mA的电流。总线供电的集线器可以从上游自供电节点汲取最大500 mA的电流，集线器通常可以使用100 mA来执行其管理功能，每个下游端口最多提供100 mA，每个集线器最多可以提供四个端口。

除了USB规范本身外，诸如UL60950之类的标准也要求过流保护用于要为下游端口供电的电源转换电路。在热连接或断开连接期间，通常会从USB集线器到USB设备涌入电流。这种涌入会产生电流和电压瞬态，其瞬态电压是典型USB连接设备的工作规范的许多倍。

如果形成短路，则过流保护会限制USB设备在连接时从集线器或主机汲取的电流量。这种保护形式应该与限制USB外围设备在正常操作下的电流需求的任何电路分开，它还应设计成可防止令人讨厌的跳闸以及电压下降。

保护的一种形式是聚合物正温度系数（PTC）装置，PTC器件通常由分隔两个或多个电极的导电聚合物层组成。当流经该器件的电流超过额定极限时，聚合物层将开始加热并从固态转变为液态，并随之膨胀。

膨胀导致聚合物内的导电层开始破裂，使得器件从低电阻状态转变为高电阻状态。结果，流过器件的电流急剧下降。一旦故障得到修复，电流恢复正常，聚合物冷却并收缩，当导电链重新相互接触时，聚合物回到低电阻状态。

PTC本身提供了有效的保护，但是需要布局以支持它以获得最佳效果。为了确保PTC是跳闸的元件，任何载流PCB迹线都应设计成能处理的电流是PTC本身的两倍，这防止了电路走线变成保险丝元件本身。

通常，在提供电源的母板，集线器或OTG（On Go）设备上，PTC放置在电源和旁路电容器之间，而不是放置在电容器和端口连接器之间。

作为瞬态可能性的一个例子，兼容的USB设备在最初的热插拔过程中会消耗比工作功耗高很多倍的显着瞬态电流。过电流保护不能限制这种浪涌，并且不能承受大约100 µs的瞬态电流。

市场上有许多PTC设备，适合用于USB应用的过流保护。此类设备的一个示例是0603封装的ESD5B005TA，非常适合USB保护任务。如果在其端子两端产生高压，则压敏电阻的电阻会急剧下降。

结果，电荷从电源线或信号线转移到地面，从而将电压钳位到更低的水平，从而保留了下游电路。MLA系列压敏电阻由半导体陶瓷制成，可在很宽的温度范围内工作，并在小封装中提供了良好的过压保护-通常比塑料封装的组件要小得多-类似于陶瓷电容器。

ESD5B005TA采用小型0603封装，适用于瞬态抑制Vbus和USB接地线，并支持5.5 V DC的连续DC额定电压。与5 V USB电源一致。V5.5MLA0603器件的典型电容为660 pF，但是，由于要保护的线路是直流电，因此增加电容是有用的。

ESD放电瞬变是非常快速的事件，可能会在亚纳秒的时间范围内达到峰值电压，峰值电压和电流分别达到25 kV和100A。如此大或更低的瞬变会破坏CMOS晶体管的精细栅极氧化物，并引起其他IC级损坏。

ESD抑制器能够快速反应，将能量从放电转移到地面。剩余的能量要么消散在抑制器中，要么反射回ESD事件的源头。与标准过压保护一样，TVS二极管阵列代表了一种转移能量的方式。

通常，ESD浪涌抑制器的返回路径应该是系统的机箱或屏蔽接地，而不是信号接地，以防止放电耦合到数据线并可能破坏传输或使电场潜入内部电路，这也意味着瞬变中的能量会反射回ESD发生器。