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升級USB 3.0後的過電流保護解決方案

上網時間: 2009年06月05日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:USB 3.0  正溫度係數熱敏電阻  PPTC 

為因應各種不同週邊設備的需求,USB3.0除了提昇速度外,也提高電力供應的要求。本文先針對業界常用的過電流保護元件高分子正溫度係數熱敏電阻(PPTC)做介紹,並於在USB 3.0的應用下比較與低電壓半導體開關的差別。

此外,文中也將說明USB 3.0與USB 2.0的差異,提出USB 3.0過電流保護PPTC元件應用建議,並以新一代薄型低電阻表面黏著PPTC元件為例說明新的導體材料開發進程,透過運用新材料,可為當前的超薄型電子產品提供良好過電流保護。

由於電子產品對速度、功率的要求不斷提高,自去年11月USB 3.0規格底定後,除了速度提升至5Gbps外,對電力供應的要求也從500mA提高到900mA。不管是在系統端或是元件端,新的速度和功率都帶來了全新挑戰。新規格涵蓋了新的資料傳輸協定、電源管理架構,到確保資料成功地在主機及裝置間傳輸。不過,在這些USB 3.0的升級中,唯一沒有改變的,就是對於安規的要求。系統工程師現在需要分配足夠的電力到這些連接埠,並謹慎地整合‘過電流保護’功能。

目前I/O連接埠的設計通常有整合電源線,直接供電到週邊設備,或提供電力讀取裝置端中EEPROM的資料。為了防止在未連接的狀態下發生短路,或連接上裝置後發生的異常狀況造成過電流,這些電源接腳都需要做好保護的功能。PPTC是非常適合提供此種保護的元件之一,而且也成為了電子設計中的主流,符合各種規範需求或安規要求,如UL 60950。

用於過電流保護的PPTC

PPTC是一種非線性、根據溫度而變化的電阻。一般情況下,PPTC元件擁有極高的導電度,所以電路可以正常運作。但是當過電流狀況發生的時候,此高電流會在PPTC元件上產生足夠的能量(焦耳熱效應)以超過其轉移溫度,造成104到106倍的電阻值彈跳。因此可排除過電流狀況,達到保護電路及元件的目標。

在USB 3.0的規範中,明確要求使用限電流元件作為電源端之保護,而PPTC元件及低電壓半導體開關常被用來做此限電流的解決方式。大部分的時候,基於多種考量,工程師比較偏好使用PPTC元件來防止電路受到損害。因為可支配的電流量在USB 3.0中提高了,限電流的元件需要通過更多電流,但卻同時要保持一定的壓降。表1為在USB 3.0應用中,PPTC元件與低壓半導體元件的比較,在價格、阻值、最大故障電流能量及靜電敏感度等方面均更具優勢。

相較於USB 2.0,USB 3.0建立了新的電源管理結構,並定義了新的連結狀態及機制,以達到更好的整體電源效率。而在電源供應的分配上,3.0規格大致與2.0相同,但提昇了電力需求且放寬了壓降要求。SuperSpeed裝置在與主機完成初始設定後,就可以使用到900mA的電流。在供電電壓的要求上,主機上的根連接埠或HUB上的連接埠都從原本的4.75V降到了4.45V,且由USB供電的裝置必須在4.00V就要能夠正常運作。其他規定像是瞬間電流的限制、主機休眠或待命模式下的限流等,除了更新電流配置到150mA或高功率的900mA外,其他要求都與舊規格一樣嚴謹。

目前,針對USB 3.0的過電流保護,業界已出現了新的PPTC元件,可確保設計符合USB 3.0版規範要求。例如,儘管USB 3.0降低了在電源端的電壓要求,但新一代PPTC元件仍可確保PPTC的壓降在電流全載時不超過0.1V,除可確保與USB 2.0裝置的相容性以外,也為主板上其他元件或線路保留了更大的設計餘裕。此外,新一代過電流保護元件皆能夠在50℃以上高溫時保持電流全載且不動作,避免PPTC元件因為溫度的關係(thermal derating)而誤動作,尤其是在桌上型電腦的後端USB埠。

超低電阻PPTC材料

目前,業界已開發出能克服氧化問題的超低電阻PPTC材料及平台,解決了以金屬鎳粉為導體系統所面臨的難題。以聚鼎科技的表面黏著式SLR系列為例,厚度便降至0.75mm以下,除了電池保護線路模組(PCM)應用外,也為手機、行動網路裝置(MID)或其他薄型電子產品開拓了更廣泛的應用空間。



表:PPTC及半導體開關在1A應用下的比較。





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