無處不在的通用串行總線(USB)接口即將迎接又一次換代，以便緊跟連接帶寬需求不斷增長的步伐。USB3.0或所謂“超高速USB”預計將在傳輸速度、電源管理和靈活性方面向前跨越一大步。USB 3.0的開發(fā)方向包括提供更高的傳輸率、提高最大總線功率和設備電流、提供全新的電源管理功能以及向下兼容USB2.0的新型電纜和連接器。而最顯著的變化是新增了一條與現(xiàn)有USB 2.0總線并行的物理總線，見圖1。

　　USB 3.0電流傳輸能力的提高強化了對全新電路保護方案的需求。一種協(xié)同電路保護手段將有助于在USB 3.0應用中防止因過流、過壓和ESD(靜電放電)瞬態(tài)而受損。

　　過流保護

　　USB 3.0通過兩類器件供電：標準主控設備(A型連接器)和新型供電設備(Powered-B連接器)。新的SuperSpeed規(guī)范提高了流向USB設備的電流大小-從最大額定電流0.5 A提高至0.9 A。Powered-B連接器可以通過從兩個額外連接器輸送最高1.0 A的電流來對設備充電。

　　由于過流條件會影響電源總線，因此所有功率源(如主機和集線器)都需要進行過流保護。

　　新型Powered-B連接器的主要優(yōu)勢在于改善了便攜性、方便性和功率效率。通過增加兩個額外觸點，新型連接器可以讓一種電子設備為另一種電子設備提供高達1000 mA的電流。比如，打印機可以為一臺無線適配器供電，這樣就不再需要連接有線網(wǎng)絡。

　　與USB 2.0類似，各型USB 3.0連接器都具備供電能力。USB3.0的單裝置負載從USB 2的100 mA提高至150 mA。一臺電子設備最多可以拖動6臺裝置(標準連接器和微型連接器每端口最高900mA)。標準USB 2.0連接器應用在USB 3.0中仍然不變。然而，盡管USB2.0集線器可以通過總線供電，但USB 3.0將不會提供這種選擇，而只能通過自有電源供電。

　由于需要一個插孔端口對USB 3.0集線器應用中的所有連接器供電，因此該插孔上需要使用電路保護器件防止因過壓事件受損，這類事件可能有非穩(wěn)壓電源、逆向電壓或電壓瞬態(tài)。圖2表示了在VBUS上安裝泰科電子PolyZen器件以及在該器件端口上安裝六個小電容PESD器件的方法，幫助實現(xiàn)協(xié)同的過流/過壓保護方案。

　　此外，對于支持USB充電的系統(tǒng)還需要具有大電流能力的過流保護器件。PolySwitch聚合正溫度系數(shù)(PPTC)器件可以提供具有成本效益的USB過流保護方案。如圖3所示，在VBUS端口上安裝PolySwitch器件有助于防止因設備下游側(cè)突然短路而造成的過流損傷并降低各種USB應用中需要的功率損耗。

　　過壓保護

　　針對傳統(tǒng)0.5A端口設計的USB過壓保護器件不適合每端口0.9A的新USB規(guī)范。如果一臺0.9A主機斷開，將產(chǎn)生高感應電壓尖峰，這會對仍然留在總線上的設備造成負面影響。設計完善的總線會吸收這種尖峰，防止設備與其接觸。各種接口和充電系統(tǒng)都會因為使用不正確充電器、穩(wěn)壓不良的第三方充電器或者熱插拔事件而使便攜式電子設備面臨受損的危險。雖然典型USB電源具有5V ±5%的穩(wěn)壓線路，但在特殊情況下，這些線路上的電壓也可能大大超過5.25V。接口和充電系統(tǒng)也會產(chǎn)生負電壓，導致未采取保護措施的外圍設備受損。

　泰科電子的內(nèi)部檢測表明，熱插拔引起的瞬態(tài)，盡管時間很短暫，但電壓幅度卻可能超過16~24V。內(nèi)部檢測還發(fā)現(xiàn)第三方充電器的開路電壓超過了5V ±5%的USB規(guī)范要求。在所有USB受電設備，尤其是VBUS端口上安裝過壓保護器件(如PolyZen聚合體保護zener二極管器件)可以有效防止因電壓瞬態(tài)而受損。對于USB 3.0設備來說，PolyZen器件可酌情置于USB輸入端口、Power -B插頭和母插孔電源端口上。

　　ESD保護

　　過壓瞬態(tài)往往是ESD造成的，電源總線和數(shù)據(jù)總線上都可能出現(xiàn)。盡管現(xiàn)代集成電路可以抵御最高2000 V的電壓，但人體本身卻能輕易地聚集高達25000V的靜電。在I/O端口保護應用中，數(shù)據(jù)線上需要具有快速鉗位和恢復響應的極低電容ESD器件。

　　現(xiàn)有USB 2.0協(xié)議支持最高480Mbps的數(shù)據(jù)傳輸速率、即插即用、熱插拔安裝和運行。比較而言，USB 3.0規(guī)范支持的數(shù)據(jù)傳輸速率高達5Gbps，并向下兼容低速USB 2.0規(guī)范。

　　USB 3.0在連接上增加了四個新引腳來支持全新的SuperSpeed接口：USB3_TX (差分線對)和USB3_RX(差分線對)，如圖4所示。

　　USB 3.0的SuperSpeed接口需要比USB 2.0電容更低的ESD保護。增加極低電容PESD器件可以減小插入損耗，滿足USB 3.0的眼圖要求。PESD器件的典型電容為0.2pF，超過6 GHz范圍內(nèi)插入損耗平穩(wěn)，同時可以應對各種ESD瞬態(tài)。

　　與多數(shù)傳統(tǒng)MLV(多層變阻器)或TVS(瞬態(tài)電壓抑制)二極管技術相比，PESD器件具有更低的電容，而其低觸發(fā)電壓和低鉗位電壓也有助于保護敏感電子元件。該器件適用于USB2.0的高速D+和D-信號線和USB 3.0的SuperSpeed信號線。在電路保護設計方案中增加PESD器件可以實現(xiàn)滿足IEC61000-4-2標準要求的保護水平，該標準規(guī)定接觸模式為8kV (典型)/15kV(最大)，規(guī)定空氣放電模式為15kV(典型)/25kV(最大)。

　　協(xié)同電路保護

　　協(xié)同電路保護設計可用于改善對USB應用中大電流、高電壓和ESD瞬態(tài)的保護。圖5和圖6給出了USB 3.0設計方案需要的附加電路器件，并與USB 2.0設計方案進行了比較。

　　器件推薦

　　PolySwitch過流保護器件可以幫助設計人員滿足USB 3.0規(guī)范的大電流要求并提供簡單、節(jié)省空間的解決方案。PESD器件具有高速數(shù)據(jù)傳輸應用所需的低電容(一般為0.2pF)和電子行業(yè)最普遍的外形尺寸。PolyZen器件能為設計人員提供傳統(tǒng)鉗位二極管的易用性，又不需要大量的散熱。這種單一器件有助于對使用不正確電源提供保護，也能防止因過流事件而造成損傷。

　泰科電子建議在ESD保護中使用以下器件：

　　USB 2.0高速D+/D-線和USB 3.0 SuperSpeed線：

　　● PESD0402-140 (EIA 0402規(guī)格)

　　● PESD0603-240 (EIA 0603規(guī)格)

　　5VDC線：

　　● PESD: PESD0402-140 (EIA 0402規(guī)格)，或

　　● MLV: MLV0402-120-E120、MLV0402-180-E030或

　　MLV0603-130M-C201

　　泰科電子建議在USB過流保護中使用的器件如表1所示。

　　泰科電子建議在所有USB受電設備上安裝過壓保護器件，特別是VBUS端口上，如表2所示。