中心議題：

• USB技術規格要求
• PPTC元件技術在USB中的應用
• 保護電源開關技術在USB中的應用

解決方案：

• PPTC元件主要可應用於USB主機和USB自我供電集線器
• 保護電源開關元件用於USB電源匯流排中，控製輸至USB埠的電源

在通用串列匯流排（USB）技術規格中，明定USB電源管理提供電流限製和電源開關功能或提供正溫度係數熱敏電阻（PPTC）元件與固態開關功能
，以作為可行之過電流保護法。與保險絲相似的是，PPTC元件有助於保護電路免受過電流的損壞。它與保險絲的不同之處在於電路斷電情況下，PPTC元件可自行復位並消除故障。除了這項自復功能之外，PPTC元件在USB應用中擁有很多關鍵性的設計優點，其中包括低電阻、快速動作時間、低的功率損耗和固有的抗誤特性
，這類元件提供的解決方案比採用同等的矽元件的方法成本更低。

採取了保護措施的電源開關元件將電流限製功能與電源開關整合在一起，常用於由匯流排供電的集線器、shuangmoshijixianqihedigonglvzhujizhong，haikeyongzuochongjidianliuxianzhizhuangzhi。tamenjiangjiaodidedianzuyufanyingxunsudedianliuxianzhigongnengjieheqilai
，duiyugonglvshouxiandezhujilaishuoshiyixiangshiyongqiejieshengchengbendejiejuefangan。tongshi，tamenjubeidekuaisudianliuxianzhihuiyinggongnengkeyijinyibujianshaozaiguzhangqingkuangxiaxitongdianyadejiangdi，erqiedianyuandekaiguangongnengyekeyibangzhujieshenggengduodenengliang。

產業規格的要求

如圖1所示，USB技術規格規定了在USB產品中需具備的限製電流功能、電源開關功能，或同時提供這兩種功能。在需具備電流限製功能時，必須符合UL60950規格，即在短路或其他故障的情況下，電流輸出必須在60秒內限製在低於5A的強度。USB技術規格還定義了容許電壓輸出的標準以及對於係統中總電壓降的限製。



1.可依多埠共用或單埠基準上進行設計
2.雙模式集線器可以用作雙電源集線器或匯流排供電集線器。

PPTC元件技術

正溫度係數熱敏電（PPTC）保護元件採用半晶態聚合物和導電性顆粒製成。在正常溫度下，這些導電性顆粒形成位於聚合物中形成低阻值的電鏈路圖（圖2）。不管其熱量來自流經該元件的大電流還是環境溫度的上升，在溫度上升到超過器件的開關溫度（Tsw）shi，juhewuneidejingtidouhuironghua
，xingchengfeijingtiwuzhi。zaijingtiwuzhironghuadeguochengzhong，qitijibianda，zaochengdaodianxingkelichuxianfenlixianxiang，bingdaozhiyuanjianzukangchengdafudufeixianxingzengjia。



圖2.在過電流或過熱情況下，PPTC元件通過從低阻值狀態轉換為高阻值狀態來保護電路

此時電阻可增加到原值的1000倍bei以yi上shang或huo更geng高gao倍bei數shu。電dian阻zu增zeng加jia後hou，電dian路lu中zhong的de電dian流liu值zhi減jian至zhi可ke在zai故gu障zhang情qing況kuang下xia流liu動dong的de一yi個ge較jiao低di且qie穩wen定ding的de狀zhuang態tai，因yin而er保bao護hu了le設she備bei。在zai元yuan件jian轉zhuan變bian為wei高gao阻zu值zhi狀zhuang態tai下xia，可ke稱cheng之zhi為wei“已動作”。元件將保持已動作（高阻值）狀態
，直到故障清除並將設備的電源斷開，此時，導電性聚合物冷卻下來並重新結晶，將PPTC元件恢復到較低阻狀態下，而受影響的設備也恢復到正常運作狀態。

PPTC元件主要可應用於USB主機和USB自我供電集線器。這種自復式電流限製元件與USB元yuan件jian的de輸shu出chu電dian源yuan埠bu串chuan聯lian，在zai故gu障zhang情qing況kuang下xia的de電dian流liu限xian製zhi功gong能neng有you助zhu於yu防fang止zhi電dian路lu受shou損sun，同tong時shi係xi統tong不bu會hui出chu現xian大da幅fu度du的de電dian壓ya下xia降jiang。而er多duo埠bu的de保bao護hu功gong能neng
，可ke以yi在zai即ji使shi有you一yi個ge埠bu端duan已yi經jing短duan路lu的de情qing況kuang下xia，USB匯流排的其餘部分還可以繼續發揮其功能。如圖3所示，USB應用中的關鍵元件參數包括：動作時間
、電阻和功率損耗。

PPTC元件屬於USB電源匯流排中的電阻性串聯元件。當元件處於非動作狀態時，除了特殊狀況外，一般均呈現為一定的電阻值。因此，PPTC元件的電阻值越低，正常工作中電源與USB輸出引線間的電壓降就越小。在匯流排供電集線器的應用中
，電壓降必須小於0.1V，這就意味著包括所有串聯元件和電路板連線的總電阻必須小於1Ω（在100mA下）。在USB主機和自我供電的集線器中，隻要求輸出電壓的最小值為4.75V，而未對電壓降進行規定。

工gong作zuo電dian流liu是shi指zhi元yuan件jian能neng夠gou在zai無wu限xian的de時shi間jian內nei保bao持chi不bu動dong作zuo狀zhuang態tai的de最zui大da穩wen定ding電dian流liu。工gong作zuo電dian流liu與yu溫wen度du相xiang關guan，設she計ji人ren員yuan必bi須xu考kao慮lv到dao元yuan件jian所suo能neng承cheng受shou的de最zui高gao溫wen度du。一yi般ban來lai說shuo，較jiao低di的de工gong作zuo電dian流liu必bi然ran包bao含han較jiao高gao的de電dian阻zu和he較jiao快kuai的de動dong作zuo時shi間jian，較jiao高gao的de工gong作zuo電dian流liu相xiang對dui提ti供gong較jiao低di的de電dian阻zu。對dui於yu小xiao功gong率lv應ying用yong條tiao件jian下xia
，應ying該gai盡jin量liang選xuan擇ze具ju有you最zui小xiao工gong作zuo電dian流liu的de元yuan件jian。[page]

動作時間是PPTCzaiguzhangqingkuangxiaduidongzuosududetexingsuojinxingzhimiaoshu。zaixiaogonglvyingyongtiaojianxia，dongzuoshijianshiguanjianyinsu
，yinweizaizhenggexitongdedianyajiangdihuojianruoqiexitongxingnengshoudaoyingxiangzhiqian，xiaoxingdianyuanweichizaiduanludianliuerbushousundeshijiankenenghenduan。dongzuoshijianshuzhiyuyuanjiandesheji
、元件的大小和工作電流性能有很大關係，且還要考慮到電路板設計；即ji電dian路lu板ban上shang較jiao寬kuan的de連lian線xian或huo較jiao大da的de焊han接jie器qi等deng同tong於yu散san熱re器qi，均jun可ke增zeng加jia動dong作zuo時shi間jian。縮suo小xiao焊han接jie器qi的de尺chi寸cun
，選xuan擇ze較jiao低di的de工gong作zuo電dian流liu能neng夠gou改gai善shan動dong作zuo時shi間jian性xing能neng。

對小功率設計來說，動作功率損耗或漏電流是另一項需要重點考慮的因素。在PPTC元件動作後
，它將保持鎖定在高阻值狀態下
，持續通過少量電流（功率耗散）
，直至元件退出動作狀態為止。這一小股電流強度越低，則故障狀態下係統的功率損耗就越小。
　
測試的元件性能
•電阻：200mΩ
•工作電流：0.75A
•動作電流：1.5A
•動作時間：18毫秒（本元件）
•3分鍾後測量的漏電流：70毫安培（本元件）


圖3.PolySwitchnanoSMDM075元件處於故障條件下的回應
　
保護電源開關技術

保護電源開關元件屬於矽元件
，用於USB電源匯流排中，控製輸至USB埠的電源，並且有助於保護電路和元件
，避免出現過電流現象。與PPTC元件相似，保護電源開關在過電流條件下執行跳閘動作
，但是這一跳閘動作的執行分成兩個階段。元件在毫秒內即“動作”，將(jiang)電(dian)流(liu)限(xian)製(zhi)在(zai)一(yi)個(ge)預(yu)定(ding)的(de)範(fan)圍(wei)內(nei)，這(zhe)一(yi)範(fan)圍(wei)高(gao)於(yu)額(e)定(ding)的(de)工(gong)作(zuo)電(dian)流(liu)。隨(sui)後(hou)，通(tong)知(zhi)控(kong)製(zhi)器(qi)已(yi)經(jing)發(fa)生(sheng)了(le)故(gu)障(zhang)，控(kong)製(zhi)器(qi)即(ji)可(ke)通(tong)過(guo)切(qie)換(huan)電(dian)源(yuan)開(kai)關(guan)上(shang)的(de)致(zhi)能(neng)Pin來關閉這一埠。如果控製器未作出回應，則電源開關就反覆執行這一埠的開關狀態

，以防止元件內部出現過熱損壞。

USB應用中的關鍵元件參數包括開關電阻
、連續輸出電流、動作時間
、電流限製設定點、故障旗標延遲、電流限製釋放點以及動作電流提升。

導dao通tong電dian阻zu將jiang影ying響xiang係xi統tong電dian源yuan壓ya降jiang，它ta在zai元yuan件jian不bu處chu於yu電dian流liu限xian製zhi模mo式shi時shi進jin行xing測ce量liang。較jiao高gao的de導dao通tong電dian阻zu可ke能neng導dao致zhi元yuan件jian上shang的de電dian壓ya降jiang過guo大da，就jiu有you可ke能neng導dao致zhiUSB的de性xing能neng不bu合he格ge和he設she備bei功gong能neng不bu正zheng常chang。矽gui元yuan件jian的de導dao通tong電dian阻zu是shi供gong電dian電dian壓ya的de函han數shu
，最zui佳jia的de元yuan件jian應ying該gai能neng夠gou在zai較jiao低di的de匯匯流liu排pai電dian壓ya下xia將jiang電dian阻zu和he電dian壓ya降jiang減jian少shao到dao最zui低di程cheng度du
，並bing且qie保bao持chiUSB輸出的電壓是合格的。

連續輸出電流是設備未動作時的電流值。對於小功率應用中，這一參數應該在符合USB技術規範的同時盡量降低。

動作時間是指保護電源開關器件啟動其電流限製回路的速度。矽元件所具有的極快的動作時間使其成為功率限製應用中的最佳選擇。與PPTCyuanjianbutongzhichuzaiyuqidongzuohoudedianliuzhinenggoubaochizaixiangdanggaodeshuizhun，bingyoudianliuxianzhideshedingzhilaijueding。dianliuxianzhishedingzhishizhiguiyuanjianyidandongzuohoujiangdianliusuoxianzhidaodebiaozhun，qishuzhigenjuguzhangzhuangtaideyanzhongchengdulaibianhua
，tongchangdingyiweiguzhangdianzudehanshu。duiyuxiaogonglvdeyingyong，dianliuxianzhizhiyinggaijinliangshedi。

將故障旗標延遲功能整合在矽元件中，有助於防止“誤動作”和改善客戶的滿意度。故障旗標是指在特定的USB埠出現故障時，用於警示USB控製器的邏輯輸出。在熱插拔過程中
，許多USB設she備bei容rong性xing很hen高gao，能neng夠gou吸xi取qu相xiang當dang大da的de電dian流liu
，並bing超chao過guo了le規gui定ding限xian值zhi。這zhe造zao成cheng元yuan件jian觸chu發fa出chu短duan暫zan的de電dian流liu限xian製zhi信xin號hao，如ru果guo這zhe一yi信xin號hao傳chuan達da到dao控kong製zhi器qi，則ze會hui造zao成cheng誤wu動dong作zuo。如ru圖tu4所示，採用9毫秒的故障旗標延遲時間能夠防止出現這種暫態情況造成的故障旗標觸發。
　
RYC8220－2M元件的技術規格為：
•導通電阻：95mΩ
•連續輸出電流：0.6A
•動作時間：20μs
•電流限製值（0Ω故障）：0.9A
•故障旗標延遲：9毫秒
•電流限製釋放點：0.6A


圖4.　被保護的電源開關在故障狀態下的工作過程

電dian流liu限xian製zhi釋shi放fang點dian是shi一yi項xiang對dui於yu最zui終zhong用yong戶hu十shi分fen關guan鍵jian的de參can數shu
，它ta規gui定ding了le一yi個ge電dian流liu標biao準zhun
，矽gui元yuan件jian達da到dao這zhe一yi電dian流liu標biao準zhun時shi將jiang解jie除chu其qi電dian流liu限xian製zhi功gong能neng。這zhe是shi一yi項xiang設she計ji時shi需xu要yao考kao慮lv的de重zhong要yao因yin素su
，因yin為wei一yi旦dan電dian流liu限xian製zhi功gong能neng啟qi動dong
，元yuan件jian的de電dian阻zu將jiang出chu現xian很hen大da幅fu度du的de增zeng加jia，並bing可ke能neng影ying響xiang到dao所suo連lian接jieUSB元件的正常工作。如果此值設定過低
，會使在熱插拔時進入電流限製模式下的元件仍保持在動作狀態下，而導致USB功能無法正常運作。通過將電流限製釋放點設定到500mA以上，被保護的電源開關將在USB元件恢復至正常工作電流標準時，停止限製電流。

在(zai)動(dong)作(zuo)之(zhi)後(hou)，埠(bu)處(chu)最(zui)初(chu)的(de)功(gong)率(lv)耗(hao)散(san)是(shi)矽(gui)元(yuan)件(jian)限(xian)製(zhi)電(dian)流(liu)的(de)函(han)數(shu)。如(ru)果(guo)此(ci)元(yuan)件(jian)可(ke)以(yi)在(zai)故(gu)障(zhang)狀(zhuang)態(tai)下(xia)關(guan)斷(duan)，則(ze)埠(bu)的(de)電(dian)流(liu)消(xiao)耗(hao)和(he)功(gong)率(lv)消(xiao)耗(hao)可(ke)以(yi)忽(hu)略(lve)不(bu)計(ji)。如(ru)果(guo)控(kong)製(zhi)電(dian)路(lu)無(wu)法(fa)執(zhi)行(xing)這(zhe)項(xiang)功(gong)能(neng)（例如致能Pin在高電位啟動的元件一直接在高電位上
，或者電源開關功能並未內置此功能在元件之中時），則ze絕jue大da多duo數shu矽gui元yuan件jian將jiang繼ji續xu對dui電dian流liu進jin行xing限xian製zhi
，直zhi至zhi其qi達da到dao內nei部bu溫wen度du門men檻kan。在zai達da到dao這zhe個ge溫wen度du門men檻kan後hou
，元yuan件jian將jiang開kai始shi對dui埠bu進jin行xing防fang止zhi過guo熱re的de循xun環huan週週期qi。在zai這zhe種zhong狀zhuang態tai下xia的de平ping均jun埠bu消xiao耗hao電dian流liu是shi熱re循xun環huan週週期qi此ci和he電dian流liu限xian製zhi的de函han數shu。對dui於yu使shi用yong矽gui元yuan件jian的de小xiao功gong率lv應ying用yong，重zhong要yao之zhi處chu在zai於yu配pei備bei正zheng確que的de開kai/關電路以防止過高的“動作”狀態下的消耗功率。
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電源保護開關能提高可靠性並減少零件的數量

電源保護開關可以整合許多的檢測和保護功能，能夠提高性能並減小零件的數量。圖5中對常用的矽電源開關與Raychem的PowerSwitch進行比較。


圖5.常用電源開關導入過程與保護電源開關導入過程的對比.

在常用的電源開關實施方案中，電容器和電阻器被用於在故障旗標信號中產生時間延遲，而Raychem的PowerSwitch內(nei)置(zhi)了(le)這(zhe)一(yi)特(te)性(xing)，並(bing)且(qie)避(bi)免(mian)了(le)在(zai)電(dian)路(lu)板(ban)上(shang)另(ling)外(wai)設(she)置(zhi)電(dian)路(lu)。故(gu)障(zhang)旗(qi)標(biao)延(yan)遲(chi)能(neng)夠(gou)防(fang)止(zhi)衝(chong)擊(ji)電(dian)流(liu)導(dao)致(zhi)埠(bu)端(duan)發(fa)生(sheng)誤(wu)動(dong)作(zuo)
，並(bing)使(shi)所(suo)連(lian)接(jie)的(de)設(she)備(bei)能(neng)夠(gou)開(kai)始(shi)正(zheng)常(chang)運(yun)作(zuo)。為(wei)了(le)進(jin)一(yi)步(bu)減(jian)少(shao)外(wai)部(bu)零(ling)件(jian)的(de)數(shu)量(liang)
，Raychem的PowerSwitch分別為啟動引線和標誌引線（FLGA和FLGB）集成了上拉和下拉電阻器。

Raychem的PowerSwitch將故障標誌輸出信號設置在CMOS級。這一點對於低成本實現方案來說是非常關鍵的，因為低成本方案中的一些控製器無法支援5V的輸入信號。通過提供對CMOS級輸出信號的支援，便不再需要外部分壓網路。

Raychem的PowerSwitch也利於對於單獨埠的保護，改善了客戶的使用滿意度。在檢測到真正的過電流狀態時，出現故障的埠端關閉，而其餘的埠不受影響。圖6說明了對於單獨埠的保護實現過程，圖中將1Ω的負載連接到通道A上來模擬5A的過電流狀態，同時將185mA的連續負載電流施加於通道B上來類比正常的設備工作狀態。


圖6.單獨的過電流/過熱保護協調

PowerSwitch電源開關元件檢測到了通道A的故障
，並開始限製電流。而隻有在通道A，PowerSwitch將真正地開始ON/OFF循環週期直至故障現象消失。而通道B上的連續電流處於技術規範之內，其工作保持不受影響。

這zhe項xiang單dan獨du埠bu的de保bao護hu功gong能neng也ye影ying響xiang到dao了le功gong率lv消xiao耗hao量liang，並bing允yun許xu限xian製zhi點dian處chu於yu最zui低di值zhi以yi減jian少shao故gu障zhang狀zhuang態tai下xia功gong率lv的de消xiao耗hao。由you於yu每mei個ge埠bu端duan均jun進jin行xing獨du立li性xing保bao護hu，最zui大da預yu計ji電dian流liu在zai500mA或以下，這與多埠共用保護方式的差異是相當大的，多埠方式是以1A的連續電流用1個通道保護2個埠。

對(dui)於(yu)小(xiao)功(gong)率(lv)應(ying)用(yong)而(er)言(yan)，具(ju)備(bei)能(neng)使(shi)某(mou)個(ge)埠(bu)運(yun)作(zuo)或(huo)停(ting)止(zhi)運(yun)作(zuo)的(de)功(gong)能(neng)是(shi)很(hen)重(zhong)要(yao)的(de)特(te)性(xing)。在(zai)故(gu)障(zhang)狀(zhuang)態(tai)下(xia)
，矽(gui)元(yuan)件(jian)將(jiang)進(jin)入(ru)電(dian)流(liu)限(xian)製(zhi)模(mo)式(shi)，以(yi)防(fang)止(zhi)出(chu)現(xian)極(ji)大(da)的(de)電(dian)流(liu)實(shi)波(bo)和(he)電(dian)壓(ya)降(jiang)
，但(dan)是(shi)仍(reng)能(neng)允(yun)許(xu)較(jiao)大(da)電(dian)流(liu)流(liu)經(jing)埠(bu)。如(ru)果(guo)這(zhe)一(yi)埠(bu)不(bu)能(neng)禁(jin)用(yong)，則(ze)矽(gui)元(yuan)件(jian)將(jiang)真(zhen)正(zheng)進(jin)入(ru)一(yi)個(ge)過(guo)熱(re)循(xun)環(huan)週(週)期(qi)。熱(re)循(xun)環(huan)週(週)期(qi)能(neng)夠(gou)降(jiang)低(di)總(zong)功(gong)率(lv)的(de)消(xiao)耗(hao)，但(dan)每(mei)個(ge)通(tong)道(dao)的(de)功(gong)率(lv)仍(reng)將(jiang)超(chao)過(guo)1W。如圖6所示，在保護電源開關通道A能夠由控製器關斷的情況下，能夠使一個埠的電流消耗下降到10μA的水平。

在USB的(de)設(she)計(ji)中(zhong)，另(ling)一(yi)項(xiang)重(zhong)要(yao)的(de)考(kao)慮(lv)因(yin)素(su)是(shi)隨(sui)著(zhe)電(dian)壓(ya)的(de)下(xia)降(jiang)
，電(dian)阻(zu)值(zhi)也(ye)會(hui)下(xia)降(jiang)。隨(sui)著(zhe)供(gong)電(dian)電(dian)壓(ya)的(de)下(xia)降(jiang)，電(dian)壓(ya)降(jiang)問(wen)題(ti)顯(xian)得(de)更(geng)加(jia)突(tu)出(chu)。一(yi)般(ban)來(lai)說(shuo)，電(dian)壓(ya)下(xia)降(jiang)將(jiang)導(dao)致(zhi)電(dian)源(yuan)開(kai)關(guan)的(de)導(dao)通(tong)電(dian)阻(zu)增(zeng)加(jia)，這(zhe)是(shi)一(yi)種(zhong)不(bu)期(qi)望(wang)的(de)特(te)性(xing)。但(dan)Raychem的PowerSwitch元件的電阻卻能夠隨著供電電壓的下降而下降，因而避免這不利特性。如圖7所示，在匯流排電壓較高時，PowerSwitch能夠減少輸出電流值
，提升電源的效率和電池的使用壽命。在匯流排電壓較低時，PowerSwitch兩端的電壓降也會降低
，這樣USB功能就能繼續工作一段更長的時間。


圖7.　採用PowerSwitch元件後，其電阻值隨著輸入電壓的下降而下降


在故障狀態下的自復式電流限製功能有助於防止電路損壞
、係統的壓降與週邊係統故障，並有助係統滿足UL的安全標準。PPTC元件是一種成本較低的電流限製解決方案，適用於桌上型電腦、膝上型電腦和自備電源集線器。採用PPTC元件可對單個USB埠提供保護功能
，並能節省更多能量，增強整個係統的可靠性。

在匯流排供電的集線器、雙模式的集線器以及低功率主機中，PowerSwitch元件是最為常用的解決方案。這種元件還可用於USB設備中作為衝擊電流限製元件。PowerSwitch元yuan件jian內nei置zhi了le包bao括kuo電dian源yuan開kai關guan功gong能neng的de電dian流liu限xian製zhi功gong能neng
，提ti供gong較jiao低di的de導dao通tong電dian阻zu和he快kuai速su的de電dian流liu限xian製zhi特te性xing。這zhe些xie特te性xing均jun有you其qi應ying用yong在zai功gong率lv有you限xian的de主zhu機ji中zhong。在zai這zhe種zhong主zhu機ji中zhong加jia入ru電dian源yuan開kai關guan功gong能neng，就jiu可ke以yi通tong過guo關guan閉bi出chu現xian故gu障zhang的de埠bu端duan來lai作zuo最zui大da限xian度du地di節jie省sheng能neng量liang。