USB3.0过电流保护PPTC组件应用解决方案

  随着高新技术的不断提升，外围设备也在不断更新换代，在USB应用方面，USB3.0除了提升速度外，同时对电力的供应也有所提高。针对业界常用的过电流保护组件高分子正温度系数热敏电阻(PPTC)做介绍，并于在USB 3.0的应用下比较与低电压半导体开关的差别。

    此外，我们将对USB 3.0与USB 2.0的差异，提出USB 3.0过电流保护 PPTC 组件应用建议，并以新一代薄型低电阻表面粘着PPTC组件为例说明新的导体材料开发进程，透过运用新材料，可为当前的超薄型电子产品提供良好过电流保护。

    由于电子产品对速度、功率的要求不断提高，自去年11月USB 3.0规格底定后，除了速度提升至5Gbps外，对电力供应的要求也从500mA提高到900mA。不管是在系统端或是组件端，新的速度和功率都带来了全新挑战新规格涵盖了新的数据传输协议、电源管理架构，到确保资料成功地在主机及装置间传输。不过，在这些USB 3.0的升级中，唯一没有改变的，就是对于安规的要求。系统工程师现在需要分配足够的电力到这些连接埠，并谨慎地整合‘过电流保护’功能。

    目前I/O连接埠的设计通常有整合电源线，直接供电到外围设备，或提供电力读取装置端中EEPROM的资料。为了防止在未连接的状态下发生短路，或连接上装置后发生的异常状况造成过电流，这些电源接脚都需要做好保护的功能。PPTC是非常适合提供此种保护的组件之一，而且也成为了电子设计中的主流，符合各种规范需求或安规要求，如UL 60950。

    用于过电流保护的PPTC

    PPTC是一种非线性、根据温度而变化的电阻。一般情况下，PPTC组件拥有极高的导电度，所以电路可以正常运作。但是当过电流状况发生的时候，此高电流会在PPTC组件上产生足够的能量(焦耳热效应)以超过其转移温度，造成104到106倍的电阻值弹跳。因此可排除过电流状况，达到保护电路及组件的目标。

    在USB 3.0的规范中，明确要求使用限电流组件作为电源端之保护，而PPTC组件及低电压半导体开关常被用来做此限电流的解决方式。大部分的时候，基于多种考量，工程师比较偏好使用PPTC组件来防止电路受到损害。因为可支配的电流量在USB 3.0中提高了，限电流的组件需要通过更多电流，但却同时要保持一定的压降。表1为在USB 3.0应用中，PPTC组件与低压半导体组件的比较，在价格、阻值、最大故障电流能量及静电敏感度等方面均更具优势。

    相较于USB 2.0，USB 3.0建立了新的电源管理结构，并定义了新的连结状态及机制，以达到更好的整体电源效率。而在电源供应的分配上，3.0规格大致与2.0相同，但提升了电力需求且放宽了压降要求。SuperSpeed装置在与主机完成初始设定后，就可以使用到900mA的电流。在供电电压的要求上，主机上的根连接端口或 HUB上的连接埠都从原本的4.75V降到了4.45V，且由USB供电的装置必须在4.00V就要能够正常运作。其它规定像是瞬间电流的限制、主机休眠或待命模式下的限流等，除了更新电流配置到150mA或高功率的900mA外，其它要求都与旧规格一样严谨。

    目前，针对USB 3.0的过电流保护，业界已出现了新的PPTC组件，可确保设计符合USB 3.0版规范要求。例如，尽管USB 3.0降低了在电源端的电压要求，但新一代PPTC组件仍可确保PPTC的压降在电流全载时不超过0.1V，除可确保与USB 2.0装置的兼容性以外，也为主板上其它组件或线路保留了更大的设计余裕。此外，新一代过电流保护组件皆能够在50℃以上高温时保持电流全载且不动作，避免PPTC组件因为温度的关系(thermal derating)而误动作，尤其是在桌上型计算机的后端USB端口。

    超低电阻PPTC材料

    目前，业界已开发出能克服氧化问题的超低电阻PPTC材料及平台，解决了以金属镍粉为导体系统所面临的难题。以聚鼎科技的表面粘着式SLR系列为例，厚度便降至0.75mm以下，除了电池保护线路模块(PCM)应用外，也为手机、行动网络装置(MID)或其它薄型电子产品开拓了更广泛的应用空间。

表：PPTC及半导体开关在1A应用下的比较。