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以PPTCs保护USB电路的设计考虑

时间:2003-03-01 00:00来源:compotechasia.com 作者:admin 点击:
USB(Universal Serial Bus)技术是一种允许具自我辨识功能的周边产品,直接与计算机连结,并自动安装的科技。随插即用及热机插接功能需要强化USB端口,以传送数据及供应电源。USB以四芯缆线作为传输工具,为了防止连接时因异常电流或连接座故障作造成的电路线异常现象,USB座及接入设备都需要电路保护装置。异常电流是日常使用计算机或连接座时常见的现象。因此,1.1版USB标准引用发展成熟的PC电源座保护设计,特别以PPTCs(Polymer Positive temperature coefficient),为示范技术。

PPTC 组件
正温度系数聚合物(PPTC; Polymer Positive temperature coefficient)组件是由特殊处理过的聚合树脂(Polymer)及导体所制成,在正常操作下,Polymer紧密的将导体束缚在晶状结构内,构成一个低阻抗的炼键(图1)。然而,当温度升高超过组件动作动温度时,导体上产生的热量便会将Polymer由晶状的结构变成胶状(amorphous),体积上的变化导致被束缚在Polymer上的导体分离,导致阻抗迅速提高限制了异常电流的通过。在实际运用上,这热源可能来自于外在环境或组件温度,也可能是产生自内阻的热能,所导致的过载情形。而PPTC藉阻值的升高,降低的异常电流的流通,并保护装置正常运作。
USB总线 网络架构
USB连接USB设备及USB主控Host,USB设备可能是扩充槽或扩充系统功能的设备(如:数字摇杆等)。扩充槽单元又被进一步分类为自给电源(Self-powered)或USB主控端支持电源等两类。

USB主控端支持电源扩充槽单元由USB芯片电源引线获得单元运转及下行(downstream)电源,此种单元最高可获得500mA上行(upstream)电源支持,其外部扩充槽最高可提供四个连接埠各100mA电源。

自给电源扩充槽单元,其作动及下行电源不来自于USB主控芯片,然而当其独立电源失效时,USB芯片电源仍会提供最高100mA上行电流以供系统运作。此种扩充槽单元必须提供每一连接埠最高至500mA的下行电源。

USB 电路保护的要求
USB规范第7.2.1.2.1节对电流过载保护的要求如下:
 不论主控端支持电源或自给电源扩充槽,因安全因素必需设有电流过载保护装置。
 扩充槽必须有电流过载侦测机制,并回报予USB控制系统。
 当下行电流高于设定值时,电流过载保护装置必须排除或减低受影响的下行部份的电源。
 过载电流设定动作值最大不得超过5安培,同时必须充分确保高于过载设定值的瞬时电流(如电压上升或动态接触或重新装配时)发生时不作动过载保护装置。

基础设计技巧
USB规范1.1要求独立或群组的电路保护方案。使用PolySwitch 组件作为独立连接端口保护装置,是有效的下行电源保护设计,当异常电流于其中一个连接埠发生,PolySwitch作动保护电路,确保邻近的连接埠正常运作。独立式过电流保护设计,让设计人员可以选择更小及较灵敏作动的设备。

图2显示独立式过电流保护基本电路设计及其过电流回传逻辑。在正常状况,PolySwitch 组件负载电压(VA)值为5V,在异常状态,VA 会降低至1V。

为降低EMI辐射影响USB缆线,在Vcc pin上串联陶铁磁珠(ferrite bead)是必要的。而串联的磁珠的电阻值及其RF阻抗值是重要的变量。低串联直流电阻值的『线圈磁珠』是装配时的重要选择条件,另外输出电容最好装置于陶铁磁珠旁,以获得优秀的下行压降。
印刷电路板设计注意事项
为了符合规范1.1在压降及EMI上的要求,设计PCB时以下几点要项是必须注意的。
 让Vbus线路越短越好,至少要50-mil及1盎司铜的线路。
 尽量避免vias,如有需要则越大越好。
 若使用Vbus 开关,尽量靠近USB连接器。
 仅可能分开接地及电源的面板层配置。
 若使用不同层板,分别在电源版层到开关(下行)及非开关(逻辑或上行)部分。

结论
可靠、可重复使用且经济的PolySwitch组件已成为计算机及计算机外设产品在过载电路保护上的标准解决方案。其与各种装置的高度兼容性,让工程师可选择不同特定规格的组件,以合于电路设计及USB规范要求。

注:关于USB电路保护完整介绍,欢迎至瑞侃网站(www.raychem.com)下载使用手册。
相关产品
Power Switch 提供符合USB规范
关于USB主控端支持电源装置的电路保护替代方案

USB规范1.1节要求USB主控端支持电源装置电源开关,要满足此要求需使用MOSFET芯片于电路中,并配合PolySwitch 的限流特性转移电源。PC99 设计要点建议USB主控端支持电源装置使用独立端口开关。

作为这种分离组件的替代性选择,Power Switch已可提供电源负载控制的可靠技术,作为系统控制接口,以保护系统避免过载突波电流。

装置于电源供应端的N型MOSFET芯片,像是一个开关以控制电流供应的负载电流,这个开关设计来连结USB控制系统,产生开与关的逻辑讯号。在产生逻辑讯号时,通路代表电流通过,相对的,开路代表关闭电路。

另外关于逻辑接口,Power Switch 提供系统运作讯号表示此开关是正常运作的,或其它异常讯号(如:电流过载、温度过高、电压过高、电压过低)。

Power Switch可提供实际独立的电源控制并消除热机插接操作时不必要的动作。相较于分离组件电路解决方案,本方式因组件较小故节省机板空间及成本(组件成本及组件空间置放成本)。
(责任编辑:admin)
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