- USB技術(shù)規(guī)格要求
- PPTC元件技術(shù)在USB中的應(yīng)用
- 保護電源開關(guān)技術(shù)在USB中的應(yīng)用
- PPTC元件主要可應(yīng)用于USB主機和USB自我供電集線器
- 保護電源開關(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法。與保險絲相似的是，PPTC元件有助于保護電路免受過電流的損壞。它與保險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)計優(yōu)點，其中包括低電阻、快速動作時間、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用同等的硅元件的方法成本更低。
採取了保護措施的電源開關(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，對于功率受限的主機來說是一項實用且節(jié)省成本的解決方案。同時，它們具備的快速電流限制回應(yīng)功能可以進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，或同時提供這兩種功能。在需具備電流限制功能時，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的強度。USB技術(shù)規(guī)格還定義了容許電壓輸出的標準以及對于系統(tǒng)中總電壓降的限制。
1.可依多埠共用或單埠基準上進行設(shè)計
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）保護元件採用半晶態(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，聚合物內(nèi)的晶體都會融化，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)來保護電路
此時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的一個較低且穩(wěn)定的狀態(tài)，因而保護了設(shè)備。在元件轉(zhuǎn)變?yōu)楦咦柚禒顟B(tài)下，可稱之為“已動作”。元件將保持已動作（高阻值）狀態(tài)，直到故障清除并將設(shè)備的電源斷開，此時，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)到正常運作狀態(tài)。
PPTC元件主要可應(yīng)用于USB主機和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，同時系統(tǒng)不會出現(xiàn)大幅度的電壓下降。而多埠的保護功能，可以在即使有一個埠端已經(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：動作時間、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。當元件處于非動作狀態(tài)時，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，而未對電壓降進行規(guī)定。
工作電流是指元件能夠在無限的時間內(nèi)保持不動作狀態(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作時間，較高的工作電流相對提供較低的電阻。對于小功率應(yīng)用條件下，應(yīng)該盡量選擇具有最小工作電流的元件。[page]
動作時間是PPTC在故障情況下對動作速度的特性所進行之描述。在小功率應(yīng)用條件下，動作時間是關(guān)鍵因素，因為在整個系統(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間可能很短。動作時間數(shù)值與元件的設(shè)計、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；即電路板上較寬的連線或較大的焊接器等同于散熱器，均可增加動作時間。縮小焊接器的尺寸，選擇較低的工作電流能夠改善動作時間性能。
對小功率設(shè)計來說，動作功率損耗或漏電流是另一項需要重點考慮的因素。在PPTC元件動作后，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），直至元件退出動作狀態(tài)為止。這一小股電流強度越低，則故障狀態(tài)下系統(tǒng)的功率損耗就越小。
測試的元件性能
•電阻：200mΩ
•工作電流：0.75A
•動作電流：1.5A
•動作時間：18毫秒（本元件）
•3分鐘后測量的漏電流：70毫安培（本元件）
圖3.PolySwitchnanoSMDM075元件處于故障條件下的回應(yīng)
保護電源開關(guān)技術(shù)
保護電源開關(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，并且有助于保護電路和元件，避免出現(xiàn)過電流現(xiàn)象。與PPTC元件相似，保護電源開關(guān)在過電流條件下執(zhí)行跳閘動作，但是這一跳閘動作的執(zhí)行分成兩個階段。元件在毫秒內(nèi)即“動作”，將電流限制在一個預(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、動作時間、電流限制設(shè)定點、故障旗標延遲、電流限制釋放點以及動作電流提升。
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進行測量。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)備未動作時的電流值。對于小功率應(yīng)用中，這一參數(shù)應(yīng)該在符合USB技術(shù)規(guī)范的同時盡量降低。
動作時間是指保護電源開關(guān)器件啟動其電流限制回路的速度。硅元件所具有的極快的動作時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作后的電流值能夠保持在相當高的水準，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作后將電流所限制到的標準，其數(shù)值根據(jù)故障狀態(tài)的嚴重程度來變化，通常定義為故障電阻的函數(shù)。對于小功率的應(yīng)用，電流限制值應(yīng)該盡量設(shè)低。
將故障旗標延遲功能整合在硅元件中，有助于防止“誤動作”和改善客戶的滿意度。故障旗標是指在特定的USB埠出現(xiàn)故障時，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，如果這一信號傳達到控制器，則會造成誤動作。如圖4所示，採用9毫秒的故障旗標延遲時間能夠防止出現(xiàn)這種暫態(tài)情況造成的故障旗標觸發(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
•動作時間：20μs
•電流限制值（0Ω故障）：0.9A
•故障旗標延遲：9毫秒
•電流限制釋放點：0.6A
圖4. 被保護的電源開關(guān)在故障狀態(tài)下的工作過程
電流限制釋放點是一項對于最終用戶十分關(guān)鍵的參數(shù)，它規(guī)定了一個電流標準，硅元件達到這一電流標準時將解除其電流限制功能。這是一項設(shè)計時需要考慮的重要因素，因為一旦電流限制功能啟動，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，會使在熱插拔時進入電流限制模式下的元件仍保持在動作狀態(tài)下，而導(dǎo)致USB功能無法正常運作。通過將電流限制釋放點設(shè)定到500mA以上，被保護的電源開關(guān)將在USB元件恢復(fù)至正常工作電流標準時，停止限制電流。
在動作之后，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。如果控制電路無法執(zhí)行這項功能（例如致能Pin在高電位啟動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），則絕大多數(shù)硅元件將繼續(xù)對電流進行限制，直至其達到內(nèi)部溫度門檻。在達到這個溫度門檻后，元件將開始對埠進行防止過熱的循環(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“動作”狀態(tài)下的消耗功率。
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電源保護開關(guān)能提高可靠性并減少零件的數(shù)量
電源保護開關(guān)可以整合許多的檢測和保護功能，能夠提高性能并減小零件的數(shù)量。圖5中對常用的硅電源開關(guān)與Raychem的PowerSwitch進行比較。
圖5.常用電源開關(guān)導(dǎo)入過程與保護電源開關(guān)導(dǎo)入過程的對比.
在常用的電源開關(guān)實施方案中，電容器和電阻器被用于在故障旗標信號中產(chǎn)生時間延遲，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。故障旗標延遲能夠防止沖擊電流導(dǎo)致埠端發(fā)生誤動作，并使所連接的設(shè)備能夠開始正常運作。為了進一步減少外部零件的數(shù)量，Raychem的PowerSwitch分別為啟動引線和標志引線（FLGA和FLGB）集成了上拉和下拉電阻器。
Raychem的PowerSwitch將故障標志輸出信號設(shè)置在CMOS級。這一點對于低成本實現(xiàn)方案來說是非常關(guān)鍵的，因為低成本方案中的一些控制器無法支援5V的輸入信號。通過提供對CMOS級輸出信號的支援，便不再需要外部分壓網(wǎng)路。
Raychem的PowerSwitch也利于對于單獨埠的保護，改善了客戶的使用滿意度。在檢測到真正的過電流狀態(tài)時，出現(xiàn)故障的埠端關(guān)閉，而其余的埠不受影響。圖6說明了對于單獨埠的保護實現(xiàn)過程，圖中將1Ω的負載連接到通道A上來模擬5A的過電流狀態(tài)，同時將185mA的連續(xù)負載電流施加于通道B上來類比正常的設(shè)備工作狀態(tài)。
圖6.單獨的過電流/過熱保護協(xié)調(diào)
PowerSwitch電源開關(guān)元件檢測到了通道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。
這項單獨埠的保護功能也影響到了功率消耗量，并允許限制點處于最低值以減少故障狀態(tài)下功率的消耗。由于每個埠端均進行獨立性保護，最大預(yù)計電流在500mA或以下，這與多埠共用保護方式的差異是相當大的，多埠方式是以1A的連續(xù)電流用1個通道保護2個埠。
對于小功率應(yīng)用而言，具備能使某個埠運作或停止運作的功能是很重要的特性。在故障狀態(tài)下，硅元件將進入電流限制模式，以防止出現(xiàn)極大的電流實波和電壓降，但是仍能允許較大電流流經(jīng)埠。如果這一埠不能禁用，則硅元件將真正進入一個過熱循環(huán)週期。熱循環(huán)週期能夠降低總功率的消耗，但每個通道的功率仍將超過1W。如圖6所示，在保護電源開關(guān)通道A能夠由控制器關(guān)斷的情況下，能夠使一個埠的電流消耗下降到10μA的水平。
在USB的設(shè)計中，另一項重要的考慮因素是隨著電壓的下降，電阻值也會下降。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，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，PowerSwitch兩端的電壓降也會降低，這樣USB功能就能繼續(xù)工作一段更長的時間。
圖7. 採用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的安全標準。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。採用PPTC元件可對單個USB埠提供保護功能，并能節(jié)省更多能量，增強整個系統(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中。在這種主機中加入電源開關(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。
