- USB技術規格要求
- PPTC元件技術在USB中的應用
- 保護電源開關技術在USB中的應用
- PPTC元件主要可應用于USB主機和USB自我供電集線器
- 保護電源開關元件用于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）技術規格中，明定USB電源管理提供電流限制和電源開關功能或提供正溫度系數熱敏電阻（PPTC）元件與固態開關功能，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元件可自行復位并消除故障。除了這項自復功能之外，PPTC元件在USB應用中擁有很多關鍵性的設計優點，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元件將電流限制功能與電源開關整合在一起，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迅速的電流限制功能結合起來，對于功率受限的主機來說是一項實用且節省成本的解決方案。同時，它們具備的快速電流限制回應功能可以進一步減少在故障情況下系統電壓的降低，而且電源的開關功能也可以幫助節省更多的能量。
產業規格的要求
如圖1所示，USB技術規格規定了在USB產品中需具備的限制電流功能、電源開關功能，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規格，即在短路或其他故障的情況下，電流輸出必須在60秒內限制在低于5A的強度。USB技術規格還定義了容許電壓輸出的標準以及對于系統中總電壓降的限制。
1.可依多埠共用或單埠基準上進行設計
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
正溫度系數熱敏電（PPTC）保護元件採用半晶態聚合物和導電性顆粒制成。在正常溫度下，這些導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該元件的大電流還是環境溫度的上升，在溫度上升到超過器件的開關溫度（Tsw）時，聚合物內的晶體都會融化，形成非晶體物質。在晶體物質融化的過程中，其體積變大，造成導電性顆粒出現分離現象，并導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轉換為高阻值狀態來保護電路
此時電阻可增加到原值的1000倍以上或更高倍數。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定的狀態，因而保護了設備。在元件轉變為高阻值狀態下，可稱之為“已動作”。元件將保持已動作（高阻值）狀態，直到故障清除并將設備的電源斷開，此時，導電性聚合物冷卻下來并重新結晶，將PPTC元件恢復到較低阻狀態下，而受影響的設備也恢復到正常運作狀態。
PPTC元件主要可應用于USB主機和USB自我供電集線器。這種自復式電流限制元件與USB元件的輸出電源埠串聯，在故障情況下的電流限制功能有助于防止電路受損，同時系統不會出現大幅度的電壓下降。而多埠的保護功能，可以在即使有一個埠端已經短路的情況下，USB匯流排的其余部分還可以繼續發揮其功能。如圖3所示，USB應用中的關鍵元件參數包括：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元件。當元件處于非動作狀態時，除了特殊狀況外，一般均呈現為一定的電阻值。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用中，電壓降必須小于0.1V，這就意味著包括所有串聯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定。
工作電流是指元件能夠在無限的時間內保持不動作狀態的最大穩定電流。工作電流與溫度相關，設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。對于小功率應用條件下，應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。在小功率應用條件下，動作時間是關鍵因素，因為在整個系統的電壓降低或減弱且系統性能受到影響之前，小型電源維持在短路電流而不受損的時間可能很短。動作時間數值與元件的設計、元件的大小和工作電流性能有很大關系，且還要考慮到電路板設計；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下，持續通過少量電流（功率耗散），直至元件退出動作狀態為止。這一小股電流強度越低，則故障狀態下系統的功率損耗就越小。
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
保護電源開關技術
保護電源開關元件屬于硅元件，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，避免出現過電流現象。與PPTC元件相似，保護電源開關在過電流條件下執行跳閘動作，但是這一跳閘動作的執行分成兩個階段。元件在毫秒內即“動作”，將電流限制在一個預定的范圍內，這一范圍高于額定的工作電流。隨后，通知控制器已經發生了故障，控制器即可通過切換電源開關上的致能Pin來關閉這一埠。如果控制器未作出回應，則電源開關就反覆執行這一埠的開關狀態，以防止元件內部出現過熱損壞。
USB應用中的關鍵元件參數包括開關電阻、連續輸出電流、動作時間、電流限制設定點、故障旗標延遲、電流限制釋放點以及動作電流提升。
導通電阻將影響系統電源壓降，它在元件不處于電流限制模式時進行測量。較高的導通電阻可能導致元件上的電壓降過大，就有可能導致USB的性能不合格和設備功能不正常。硅元件的導通電阻是供電電壓的函數，最佳的元件應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。
連續輸出電流是設備未動作時的電流值。對于小功率應用中，這一參數應該在符合USB技術規范的同時盡量降低。
動作時間是指保護電源開關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，并由電流限制的設定值來決定。電流限制設定值是指硅元件一旦動作后將電流所限制到的標準，其數值根據故障狀態的嚴重程度來變化，通常定義為故障電阻的函數。對于小功率的應用，電流限制值應該盡量設低。
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設備容性很高，能夠吸取相當大的電流，并超過了規定限值。這造成元件觸發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這種暫態情況造成的故障旗標觸發。
RYC8220－2M元件的技術規格為：
•導通電阻：95mΩ
•連續輸出電流：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. 被保護的電源開關在故障狀態下的工作過程
電流限制釋放點是一項對于最終用戶十分關鍵的參數，它規定了一個電流標準，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下，而導致USB功能無法正常運作。通過將電流限制釋放點設定到500mA以上，被保護的電源開關將在USB元件恢復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。如果此元件可以在故障狀態下關斷，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，或者電源開關功能并未內置此功能在元件之中時），則絕大多數硅元件將繼續對電流進行限制，直至其達到內部溫度門檻。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週期。在這種狀態下的平均埠消耗電流是熱循環週期此和電流限制的函數。對于使用硅元件的小功率應用，重要之處在于配備正確的開/關電路以防止過高的“動作”狀態下的消耗功率。
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電源保護開關能提高可靠性并減少零件的數量
電源保護開關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量。圖5中對常用的硅電源開關與Raychem的PowerSwitch進行比較。
圖5.常用電源開關導入過程與保護電源開關導入過程的對比.
在常用的電源開關實施方案中，電容器和電阻器被用于在故障旗標信號中產生時間延遲，而Raychem的PowerSwitch內置了這一特性，并且避免了在電路板上另外設置電路。故障旗標延遲能夠防止沖擊電流導致埠端發生誤動作，并使所連接的設備能夠開始正常運作。為了進一步減少外部零件的數量，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置在CMOS級。這一點對于低成本實現方案來說是非常關鍵的，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時，出現故障的埠端關閉，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，同時將185mA的連續負載電流施加于通道B上來類比正常的設備工作狀態。
圖6.單獨的過電流/過熱保護協調
PowerSwitch電源開關元件檢測到了通道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循環週期直至故障現象消失。而通道B上的連續電流處于技術規范之內，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下功率的消耗。由于每個埠端均進行獨立性保護，最大預計電流在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的連續電流用1個通道保護2個埠。
對于小功率應用而言，具備能使某個埠運作或停止運作的功能是很重要的特性。在故障狀態下，硅元件將進入電流限制模式，以防止出現極大的電流實波和電壓降，但是仍能允許較大電流流經埠。如果這一埠不能禁用，則硅元件將真正進入一個過熱循環週期。熱循環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，在保護電源開關通道A能夠由控制器關斷的情況下，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，電壓下降將導致電源開關的導通電阻增加，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
在故障狀態下的自復式電流限制功能有助于防止電路損壞、系統的壓降與週邊系統故障，并有助系統滿足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，并能節省更多能量，增強整個系統的可靠性。
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設備中作為沖擊電流限制元件。PowerSwitch元件內置了包括電源開關功能的電流限制功能，提供較低的導通電阻和快速的電流限制特性。這些特性均有其應用在功率有限的主機中。在這種主機中加入電源開關功能，就可以通過關閉出現故障的埠端來作最大限度地節省能量。
