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硬盘驱动器USB 2.0和USB 3.0电路保护思考 作者 网络　 来源 网络　 浏览 168 　 发布时间 2011-05-30 尽管USB取电的实用化已经有了一段时间，但随着基于USB的硬盘驱动器(HDD)应用的不断增长，包括外部供电型、USB供电型和固态硬盘(SSD)，对USB端口的电路保护设计提出了更高的要求。不仅终端应用(HDD/SSD)将要面临这种挑战，通过USB提供电力和数据的主机USB应用亦如此。 2.5”HDD设计的持续改善包括降低draw on功率和提高数据存储容量。虽然正在游戏机和车载信息系统等领域中力图拓展自身的应用范围，如今大部分在用的HDD仍然连接在台式电脑/笔记本电脑以及USB集线器(hub)上。 外置HDD既可以通过外部电源供电，也可以通过一个主机USB端口供电。USB规范允许用户在PC或USB主机端正在运行的同时(热)插拔USB设备。热连接(热插)或热断开(热拔)过程中，从USB集线器到USB设备的涌入电流会产生数量级高于USB连接设备工作功耗规格的瞬态电流和瞬态电压。 过流保护 UL60950和USB规范要求对USB供电设备提供过流保护，即必须在USB功率输送的设计中采用过流保护。在USB主机端口之外的短路情形中，过流保护设备限制USB设备可以从USB主机端口吸取的电流总量。同时，过流保护必须满足USB设备达到要求的工作电流极限(USB 2.0和USB 3.0的电流极限分别为500 mA和950 mA)。在设计USB端口保护时，保护器件也不得限连接设备的输入功率要求。 USB 3.0标准大大提高了可以流向USB连接设备的能量总量——额定电流至少达到1.5 A。大电流应用，如USBHDD设备，需要更加可靠和稳健的电路保护，防止因过压和过流情况而受损。 在为USB供电选择适当的过流器件时，设计人员必须考虑连接该应用时的起动涌入电流和供电电压等情况。器件选择不当会导致电压下降或误保护；而且，在采用熔断器(熔丝)保护的情况下，会造成永久开路。满足USB安全要求的一种流行办法是使用聚合物正温度系数 (PPTC) 过流保护器件。主机/设备USB应用中PPTC器件的主要好处是能减小涌入电流导致误保护的可能性。 为保证PPTC器件功能正常，设计的功率传输线路(布线)应该能够输送该保护器件电流的两倍，使得线路(布线)本身不会成为熔丝。图1表示一个PPTC器件在电路中的布置，它应该位于电源与旁路电容器之间。将保护器件置于USB端口与旁路电容器之间的确可以增加更多等效串联电阻(ESR)并限制过流保护器件的效果。注：端口数量增加，提高了PolySwitch器件的能量吸收能力要求。 图1：针对USB端口应用的典型PolySwitch PPTC器件过流保护方案 过压保护 各种故障情况都有可能造成过压事件，比如用户错误、使用调压不当的第三方电源、热断开(热拔)事件以及EMI(电磁干扰)等。接口和充电系统也会产生负电压，导致未加以保护的周边设备受损。 将过压保护器件，如将泰科电子的PolyZen——聚合物保护齐纳二极管置于所有U S B供电设备的电源输入上，特别是置于VBUS端口上，可以防止这些设备因过压事件受损。图2表示PolyZen器件在一种USB HDD设计中所处的位置。为了对与数据总线上E S D相关的瞬态加以保护，泰科电子的聚合物ESD(PESD)和硅ESD(SESD)器件可以防范高达15 kV接触模式的ESD瞬态造成的损害。 图2：USB HDD框图：采用PolyZen和xESD(如PESD或SESD)器件，保护USB端口电源线/数据线 如图3a和图3b所示，泰科电子近期进行的试验证明，无论在级联端口还是在单一端口中，电流越大，过压风险就越大。这种情况既有可能是负载引起的，也有可能是外部故障引起，包括线路故障、调压不当和接地不良。 图3a表示USB 2.0应用中的过压情况。这种4端口配置按最高5 V和2 A(每个端口0.5 A)额定。在发生过压故障时，如果只连接了一个端口，该端口会在热连接/断开(热插/拔)期间接收全部10 W功率而不是2.5 W。产生的电压尖峰可能比5 V额定值高得多，足以在充电过程中损坏便携设备中的集成电路。 图3a：USB 2.0-4端口应用中的典型过压事件 图3b：USB 3.0-2端口应用中的典型过压事件 图3b表示USB 3.0应用中的过压情况。这种2端口配置按最高5 V和1.8 A(每个端口0.9 A)额定。在发生过压故障时，如果只连接了一个端口，该端口会在热连接/断开(热插/拔)期间接收全部9 W功率而不是4.5 W。USB 3.0规范解决了过流和过压保护问题，但是由于主机和外设往往大部分是向后兼容的，必须对它们加以保护，防止因过流和过压情况而受损，而与规范(规定的电压)水平