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USB电路保护技术运用
 

【作者: Adrian Mikolajczak】2002年10月05日 星期六

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工业用规格需求

在USB的规格中说到在USB接口的产品中,必需设计有电流限制器、电源转换器或是二者同时存在。而这些要求如(表一)所示。


只要有电流限制器存在的地方,就必需同时符合UL60950的要求。就USB而言,这表示当电路发生短路或其它因素导致的故障时,输出电流必需限制在每60秒低于5安培的条件下。


除此之外,USB的规格说明中更是具体指出USB系统中可容许的输出电压及限制的总压降。(表三)所示为USB规范2.0中的电压限制。


表一 USB系统的电路保护及电源切换器限制条件
USB Device Overcurrent Protection(1) Power Switching(1)
Host Controller Required Optional
Self-powered Hub Required Optional
Bus-powered Hub Optional Required
Dual-Model Hub(2) Required Required
@批注:(1)设计的方式可以是组埠或是单一保护
(2)双工集线器的电源可以是self-powered亦可以是bus-power

表二 USB的电压需求(1)
Voltage Requirements
Host Output 4.75V Min
Self-Powered Hub Output 4.75V Min
Bus-Powered Hub Output 4.40V Min

表三 USB的电压需求(2)
Assumed Voltage Drops Implied Through Resistance
Cables and connectors 0.25V Max 0.5Ω @500mA
Bus-Powered Hub Internals 0.1V Max per Port 1.0Ω @100mA
@批注:Bus-Powered Hub Internals is hub loss not including cable loss(assumes detachable cable)


执行方法之建议

单埠及组埠保护

任何一项关于USB的设计,其中最当被问到的基本问题之一就是:该产品所要求的是单埠保护或是组埠保护即可?这个简单的问题会影响到终端用户的使用感受、系统执行效能以及系统成本。(表四)所示为各种方案的简易比较。


表四 单埠与组埠保护之比较
说明 单埠保护 组埠保护
设计方案 各端口均受到个别专属的电流限制组件所保护 多个端口由单一个电流限制组件所保护
优点

˙改善终端用户的使用感受
˙减少系统功率的损耗
˙降低系统成本
˙提升系统的信赖度
˙改善接口精简的支持

˙减少USB子系统的组件数
˙降低USB子系统的组件成本
推荐的应用产品 ˙低功率系统
笔记本电脑
IAPC设计
˙高信赖度的应用产品
˙接口精简的应用产品
高功率系统
传统的桌面计算机

单埠保护改善用户感受

单埠保护提供终端用户最佳的系统使用效能。因为有单埠保护,即使其中一个端口发生短路,也不会影响到其它接口的正常运作。在组埠保护方面,一旦组埠当中的一个端口发生短路,过电流保护装置便开始动作,并切断所有的相连组埠,使得用户无法使用其它的端口。


单埠保护降低功率损耗

单埠保护的另一项好处就是可以降低功率的损耗,并减少所需的功率预算。如果保护设计采用PolySwitch组件,工程师在单埠保护的设计中就可以选用反应时间更短、保持电流更低的组件,这对低功率系统特别好用。


如果所采用的是IC电流限制器,对组埠及单埠保护的跳脱时间并不会有所影响,但却会影响保护组件在故障时设定启动时的电流值以及电流的初限值。采用硅制组件作单埠保护,其限制电流值可以在1安培(或5伏特5瓦特时)。相对的,在双埠保护方面,硅组件的限流设计是在1.5安培(或5伏特7.5瓦特时)。


单埠保护及系统成本

单埠保护最显而易见的缺点就是组件的成本支出。当无法增加系统成本时,组件成本就必须与功率需求、电力系统成本,以及终端用户的使用感受等条件一并审慎考虑,以达成最佳的系统成本估算。有些时候,单埠保护是整个设计中成本支出最低的部分。


高信赖度系统之单埠保护

高信赖度的系统必定意味着采用单埠保护的设计。在高信赖度系统的背后,预先所设下的前提就是当一个USB埠发生短路时,不会连累到其它USB装置的运作。在精简接口的系统中更是如此,意即USB鼠标和键盘的I/O装置并不会因为其它USB端口发生故障而无法动作。


精简接口系统之单埠保护

精简接口的方法就是趋向采用单埠保护设计。最主要是为了因应终端用户的使用感受以及客户支持的成本。基本的前提是,如果所有的I/O装置都为USB接口,即使有其中一个端口发生短路,也不会导致所有的端口都故障,而造成用户呆坐于计算机前却无计可施。


组埠保护功率需求高

组埠保护最明显的好处就是减少组件的使用数量。光是单一个PolySwitch miniSMDC200组件就可以同时保护至多三个端口,但正如前文所提及的,如果其中一个端口启动了保护组件,这三个端口都将无法使用。除此之外,组埠保护的设计需要更高的保持电流,在故障时,这将会拖慢动作时间,且消耗更高的电能。


折衷方案

在电力足够的系统中,可信赖度并不是主要关键,在提供4个及4个以上的USB系统中,在可信赖度、成本和使用效能等条件中找到的一个折衷方案,就是每个电流限制器最多组配二个端口。如此,不但可以减少组件的使用数量与配置成本,又可以使得其它的端口在故障发生时仍能继续运作。


PolySwitch保护组件和IC电源保护切换器,二者皆可用于保护主机控制器(Host Controllers)以及自接电式集线器(Self-Powered Hubs)。在今日,PolySwitch提供了成效最佳的保护设计,而IC保护组件虽然单价较高,却能降低系统整体的成本,并提供良好的效果。


不论是组埠保护或单埠保护都能达到保护主控制器及自接电式集线器的效果。主机控制器可支持IAPC的架构,保护设计方案的选用。


小型IAPC电源供应器之保护

在IAPC(Instantly Available PC)的应用中,主电源供应器足以支持一般USB的操作所需。但是当PC处于休眠状态(S3)时,辅助电源会提供微量的电力以支持USB装置的运作。当以辅助电源供电时,USB装置一般处于待机状态下。但辅助电力也必需能够支持因USB被唤醒以及故障时产生的大电流。为了避免处于休眠状态的PC发生USB装置故障的情形,则电源系统的问题就必须照着去解决,也包括电路保护。


唤醒休眠状态的PC

唤醒休眠中的PC有明确的定义,操作系统在被唤醒的过程中,USB装置的电流会持续上升至500毫安。辅助电源必须能够供应这股电流,并额外加上任一项原先所须的背景电流值,直到主电源能够回复至工作状态为止。一般而言,主电源恢复需费时0.25秒,而通常对辅助电力所作的要求,仅止于在任一时候只要能唤醒一个USB装置就可以了,因为实际上要用户在0.25秒内相继启动二个不同I/O埠的装置也不太可能。


休眠中之故障

与唤醒操作系统有所不同,休眠中的故障状况并没有那么明确的定义,而且在电路设计不良的情况下,产生的影响更为巨大。发生故障时,由电源供应器所提供的电能,在初始阶段会突然产生一个大电流,但过电流限制器在此刻会被引动而限制电流量。这个情形会发生在某种程度下的“稳定状态”,或是被限电流器所感测到的持续电流之后。


在这些条件下,一个系统的设计是很重要的,以致于当故障发生时:


  • (1)系统电能下降的速度不会大过供电电压降低的速度(这将会导致PC当机)。


  • (2)休眠故障时的稳定状态下,电量需求不会超过供电电压降低的速度。


  • (3)休眠故障时的稳定状态下,在唤醒操作系统时所耗的电量不会使供电电压下降太多。



其中的第3点经常为大家所遗忘,但这却是与高稳定度的产品最为相关的一点。


如果没有办法符合以上这些条件,当USB总线上发生问题时,就可能会导致内存不足,对用户而言,PC因内存不足而突然当机,一些尚未存盘的数据也将流失。


表五 休眠状态下保护PC之方法
解决方案 建议 优点 缺点
方案(1)单埠的PolySwitch采用快速,单一埠的电源限制器,如:
˙miniSMDC075
˙nanoSMDC075
●各个PolySwitch组件的尺寸须依较小、需求较大、辅助电源而定。而每个PolySwitch必需能在电压遽降和一些物理损害的情况下保护较小的辅助电源。 ●各端口都设有单埠保护;单一埠发生故障时不会连带影响其它端口的运作。 ●一般保护极小型辅助电源所需的快速动作组件,其电阻值都较高。
●这个方案需要较大型的辅助电源供应器。
方案(2)组埠的PolySwitch对辅助电源采用动作快速的电源限制器,如:˙nanoSMDC050˙nanoSMDC075 ●可选用保护主供电电压的低电阻PolySwitch组件,而辅助电源电压的保护就可用跳脱时间快的PolySwitch组件。

●本方案所作的假设是,在正常操作下,辅助电源上的PolySwitch组件在主电源恢复之前0.25秒内必须能提供0.5安培的保持电流。
●当仍能够提供主电源供应器足够的保护时,主电源电压上的PolySwitch组件可尽量采用维时小电阻值的尺寸。
●可依最短的跳脱时间选用合适的尺寸,并达到保护辅助电源的果效。
●这个方案可以保护体小体积的辅助电源供应器。
●此方案为一组埠保护的设计;一个端口发生障时,其它的端口也无法运作。
●保护极小型辅助电源的快动作组件,一般电阻值都较高。
方案(3)硅芯片整合:配有电源切换器,采用RYC7310芯片的组埠保护件 ●这是一个整合硅芯片应用的方案,全时间提供过电流限制功能,一如电力切换装置及电源切换器。反应动作极为迅速,其设计的目的是用于协助最小型辅助电源的保护工作。 ●此方案整合了电源切器,限流器和启闭开关。经由硅芯片的整合,可省去原本所需要的MOSFET切换器及其成本。
●电流限制器可以增强对辅助电源的保护。
●跳脱时间极为短暂。
●对每一个供电源都维持在低电阻状态。
●即使再微量的辅助电源,本方案都足以支持所需。
●本方案是一种双埠式的组埠保护设计:当其中一个端口发生故障时将连带影响另一个端口。
(作者任职于泰科电子电源组件部)
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