USB(Universal Serial Bus)技術是一種允許具自我辨識功能的周邊產品，直接與電腦連結，並自動組態的科技。隨插即用及熱機插拔的功能需要強化USB埠，以傳送資料及供應電源。USB以四蕊纜線作為傳輸工具，為了防止連接時因異常電流或連接座故障造成的電路線異常現象，USB座及接入設備都需要電路保護裝置。異常電流是日常使用電腦或熱機插拔時常見的現象。因此，1.1版USB標準引用發展成熟的PC電源座保護設計，特別以PPTCs(Polymer Positive temperature coefficient)，為示範技術。

《圖一 PolySwitch PPTC 元件在過載電流發生時的反應》

PPTC 元件

正溫度係數聚合物(PPTC; Polymer Positive temperature coefficient)元件是由特殊處理過的聚合樹脂(Polymer)及導體所製成，在正常操作下，Polymer緊密的將導體束縛在晶狀結構內，構成一個低阻抗的鍊鍵(圖1)。然而，當溫度升高超過元件動作動溫度時，導體上產生的熱量便會將Polymer由晶狀的結構變成膠狀(amorphous)，體積上的變化導致被束縛在Polymer上的導體分離，導致阻抗迅速提高，限制了異常電流的通過。在實際運用上，這熱源可能來自於外在環境或組件溫度，也可能是產生自內阻的熱能，所導致的過載情形。而PPTC藉阻值的升高，降低的異常電流的流通，並保護裝置正常運作。(圖一)

USB匯流排 網路架構@內文:USB連接USB設備及USB主控Host，USB設備可能是擴充槽或擴充系統功能的設備(如：數位搖桿等)。擴充槽單元又被進一步分類為自給電源(Self-powered)或USB主控端支援電源等兩類。

USB主控端支援電源擴充槽單元由USB晶片電源引線獲得單元運轉及下行(downstream)電源，此種單元最高可獲得500mA上行(upstream)電源支援，其外部擴充槽最高可提供四個連接埠各100mA電源。

自給電源擴充槽單元，其作動及下行電源不來自於USB主控晶片，然而當其獨立電源失效時，USB晶片電源仍會提供最高100mA上行電流以供系統運作。此種擴充槽單元必須提供每一連接埠最高至500mA的下行電源。

USB 電路保護的要求

USB規範第7.2.1.2.1節對電流過載保護的要求如下：

一、不論主機端電源或自給電源擴充槽，因安全因素必需設有電流過載保護裝置。

二、擴充槽必須有電流過載偵測機制，並回報予USB控制系統。

三、當下行電流高於設定值時，電流過載保護裝置必須排除或減低受影響的下行部份的電源。

四、過載電流設定動作值最大不得超過5安培，同時必須充分確保高於過載設定值的暫態電流(如電壓上升或動態接觸或重新裝配時)發生時不作動過載保護裝置。

基礎設計技巧

USB規範1.1要求獨立或群組的電路保護方案。使用PolySwitch 元件作為獨立連接埠保護裝置，是有效的下行電源保護設計，當異常電流於其中一個連接埠發生，PolySwitch動作保護電路，確保鄰近的連接埠正常運作。獨立式過電流保護設計，讓設計人員可以選擇更小及較靈敏作動的設備。

圖二顯示獨立式過電流保護基本電路設計及其過電流回傳邏輯。在正常狀況，PolySwitch 元件負載電壓(VA)值為5V，在異常狀態，VA 會降低至1V。(圖二)

為降低EMI輻射影響USB纜線，在Vcc pin上串聯陶鐵磁珠(ferrite bead)是必要的。而串聯磁珠的電阻值及其RF阻抗值是重要的變數。低串聯直流電阻值的『線圈磁珠』是裝配時的重要選擇條件，另外輸出電容最好裝置於陶鐵磁珠旁，以獲得優良的下行壓降。

印刷電路板設計注意事項

為了符合規範1.1在壓降及EMI上的要求，設計PCB時以下幾點要項是必須注意的。

一、讓Vbus線路越短越好，至少要50-mil及1盎司銅的線路。

二、儘量避免vias，如有需要則越大越好。

三、若使用Vbus 開關，儘量靠近USB連接器。

四、僅可能分開接地及電源的面板層配置。

五、若使用不同層板，分別在電源版層到開關(下行)及非開關(邏輯或上行)部分。

結論

可靠、可重複使用且經濟的PolySwitch元件已成為電腦及電腦週邊產品在過載電路保護上的標準解決方案。其與各種裝置的高度相容性，讓工程師可選擇不同特定規格的元件，以合於電路設計及USB規範要求。(本文由泰科電子瑞侃電路保護部提供)

《圖二 異常過電流遲滯作動的獨立電源保護》