USB电路保护技术运用

USB电路保护技术运用

USB電路保護技術運用

將Power Switch電源管理IC及PolySwitch正溫度係數熱敏電阻，應用在USB系統中，可達成USB、IAPC、成本、使用者及產品效能的需求。

工業用規格需求

在USB的規格中說到在USB介面的產品中，必需設計有電流限制器、電源轉換器或是二者同時存在。而這些要求如(表一)所示。

只要有電流限制器存在的地方，就必需同時符合UL60950的要求。就USB而言，這表示當電路發生短路或其它因素導致的故障時，輸出電流必需限制在每60秒低於5安培的條件下。 除此之外，USB的規格說明中更是具體指出USB系統中可容許的輸出電壓及限制的總壓降。(表三)所示為USB規範2.0中的電壓限制。

表一 USB系統的電路保護及電源切換器限制條件 (1)設計的方式可以是組埠或是單一保護

(2)雙工集線器的電源可以是self-powered亦可以是bus-powered

表二 USB的電壓需求(1)

表三 USB的電壓需求(2)

Bus-Powered Hub Internals is hub loss not including cable loss（assumes detachable cable） 執行方法之建議 單埠及組埠保護

任何一項關於USB的設計，其中最當被問到的基本問題之一就是：該產品所要求的是單埠保護或是

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組埠保護即可？這個簡單的問題會影響到終端用戶的使用感受、系統執行效能以及系統成本。(表四)所示為各種方案的簡易比較。

表四 單埠與組埠保護之比較 單埠保護改善用戶感受

單埠保護提供終端用戶最佳的系統使用效能。因為有單埠保護，即使其中一個連接埠發生短路，也不會影響到其它介面的正常運作。在組埠保護方面，一旦組埠當中的一個連接埠發生短路，過電流保護裝置便開始動作，並切斷所有的相連組埠，使得用戶無法使用其它的連接埠。 單埠保護降低功率損耗

單埠保護的另一項好處就是可以降低功率的損耗，並減少所需的功率預算。如果保護設計採用PolySwitch元件，工程師在單埠保護的設計中就可以選用反應時間更短、保持電流更低的元件，這對低功率系統特別好用。

如果所採用的是IC電流限制器，對組埠及單埠保護的跳脫時間並不會有所影響，但卻會影響保護元件在故障時設定啟動時的電流值以及電流的初限值。採用矽製元件作單埠保護，其限制電流值可以在1安培（或5伏特5瓦特時）。相對的，在雙埠保護方面，矽元件的限流設計是在1.5安培（或5伏特7.5瓦特時）。 單埠保護及系統成本

單埠保護最顯而易見的缺點就是元件的成本支出。當無法增加系統成本時，元件成本就必須與功率需求、電力系統成本，以及終端用戶的使用感受等條件一併審慎考量，以達成最佳的系統成本估算。有些時候，單埠保護是整個設計中成本支出最低的部分。 高信賴度系統之單埠保護

高信賴度的系統必定意味著採用單埠保護的設計。在高信賴度系統的背後，預先所設下的前提就是當一個USB埠發生短路時，不會連累到其它USB裝置的運作。在精簡介面的系統中更是如此，意即USB滑鼠和鍵盤的I/O裝置並不會因為其它USB連接埠發生故障而無法動作。

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精簡介面系統之單埠保護

精簡介面的方法就是趨向採用單埠保護設計。最主要是為了因應終端用戶的使用感受以及客戶支援的成本。基本的前提是，如果所有的I/O裝置都為USB介面，即使有其中一個連接埠發生短路，也不會導致所有的連接埠都故障，而造成用戶呆坐於電腦前卻無計可施。 組埠保護功率需求高

組埠保護最明顯的好處就是減少元件的使用數量。光是單一個PolySwitch miniSMDC200元件就可以同時保護至多三個連接埠，但正如前文所提及的，如果其中一個連接埠啟動了保護元件，這三個連接埠都將無法使用。除此之外，組埠保護的設計需要更高的保持電流，在故障時，這將會拖慢動作時間，且消耗更高的電能。 折衷方案

在電力足夠的系統中，可信賴度並不是主要關鍵，在提供4個及4個以上的USB系統中，在可信賴度、成本和使用效能等條件中找到的一個折衷方案，就是每個電流限制器最多組配二個連接埠。如此，不但可以減少元件的使用數量與配置成本，又可以使得其它的連接埠在故障發生時仍能繼續運作。

PolySwitch保護元件和IC電源保護切換器，二者皆可用於保護主機控制器（Host Controllers）以及自接電式集線器（Self-Powered Hubs）。在今日，PolySwitch提供了成效最佳的保護設計，而IC保護元件雖然單價較高，卻能降低系統整體的成本，並提供良好的效果。

不論是組埠保護或單埠保護都能達到保護主控制器及自接電式集線器的效果。主機控制器可支援IAPC的架構，保護設計方案的選用。 小型IAPC電源供應器之保護

在IAPC（Instantly Available PC）的應用中，主電源供應器足以支援一般USB的操作所需。但是當PC處於休眠狀態（S3）時，輔助電源會提供微量的電力以支援USB裝置的運作。當以輔助電源供電時，USB裝置一般處於待機狀態下。但輔助電力也必需能夠支援因USB被喚醒以及故障時產生的大電流。為了避免處於休眠狀態的PC發生USB裝置故障的情形，則電源系統的問題就必須照著去解決，也包括電路保護。 喚醒休眠狀態的PC

喚醒休眠中的PC有明確的定義，作業系統在被喚醒的過程中，USB裝置的電流會持續上升至500毫安培。輔助電源必須能夠供應這股電流，並額外加上任一項原先所須的背景電流值，直到主電源能夠回復至工作狀態為止。一般而言，主電源恢復需費時0.25秒，而通常對輔助電力所作的要求，僅止於在任一時候只要能喚醒一個USB裝置就可以了，因為實際上要使用者在0.25秒內相繼啟動二個不同I/O埠的裝置也不太可能。 休眠中之故障

與喚醒作業系統有所不同，休眠中的故障狀況並沒有那麼明確的定義，而且在電路設計不良的情況下，產生的影響更為巨大。發生故障時，由電源供應器所提供的電能，在初始階段會突然產生一個大電流，但過電流限制器在此刻會被引動而限制電流量。這個情形會發生在某種程度下的“穩定狀態”，或是被限電流器所感測到的持續電流之後。

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在這些條件下，一個系統的設計是很重要的，以致於當故障發生時：

(1)系統電能下降的速度不會大過供電電壓降低的速度（這將會導致PC當機）。 (2)休眠故障時的穩定狀態下，電量需求不會超過供電電壓降低的速度。

(3)休眠故障時的穩定狀態下，在喚醒作業系統時所耗的電量不會使供電電壓下降太多。

其中的第3點經常為大家所遺忘，但這卻是與高穩定度的產品最為相關的一點。

如果沒有辦法符合以上這些條件，當USB匯流排上發生問題時，就可能會導致記憶體不足，對使用者而言，PC因記憶體不足而突然當機，一些尚未存檔的資料也將流失。 （作者任職於泰科電子電源元件部）

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表五 休眠狀態下保護PC之方法