新的通用串列匯流排(USB)3.0通訊協定或稱為SuperSpeed USB的開發目的，在於提供更高的資料傳輸速率，並透過支援每個埠的更高電流來提高功率傳遞能力。其包含新的電源管理特性，以及與USB 2.0設備向下相容的新電纜與連接器，而最顯著的變化是四條附加的銅資料線平行地加入現有的USB 2.0匯流排(圖1)。但這些附加的銅資料線不僅傳輸超高速資料，也會傳輸靜電放電(ESD)和其他有害的瞬態電壓。
USB 3.0所提升的電流和功率傳遞能力，意味著需要新的電路保護解決方案。因此，一個統合的電路保護方法將能保護USB 3.0應用免受過電流、過壓及ESD瞬態電壓帶來的損害。
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| 圖1 USB 3.0通訊協定增加了一條雙-單工資料通道 |
SuperSpeed提高USB電流量
USB 3.0透過標準的主機(A型連接器)和新的功率元件(B型功率連接器)兩個零組件來提供功率。新的SuperSpeed規範提高了可流到USB裝置上的電流量，從0.5安培提高到0.9安培。新的B型功率連接器允許一個USB裝置以高達1.0安培的電流為另一裝置充電。由於過電流條件會影響電源匯流排，因此所有功率源(如主機、集線器和B型功率連接器)都必須提供過電流保護。
與USB 2.0類似，所有類型的USB 3.0主機都必須提供電源。USB 3.0的單一負載新定義為150毫安培(mA)，比USB 2.0的100毫安培略有增加。目前，一個USB 3.0主機必須能以每埠支援六個負載(900毫安培)。此外，USB 3.0集線器可能不再是匯流排供電。至今，所有USB 3.0集線器的每個埠必須能夠支援900毫安培電流。此外，支援USB充電和USB 3.0的系統，需要更高電流的過電流保護元件。USB充電器規範採用與USB 2.0相同的接腳配置，但允許更高的電流(每埠高達1.5安培)。
最後，USB 3.0定義了一個新的B型功率連接器，其主要的優點是更強的可攜性。B型功率連接器允許消除USB電纜和額外的電源。使用B型功率連接器的USB裝置現可為另一USB裝置供電。透過提供兩個額外的接觸點，新的連接器讓電源(帶有B型功率連接器插座)能夠向另一裝置(帶B型功率連接器插頭)提供高達1,000毫安培的電流。例如，一台印表機可為一台無線連接器供電，而毋需有線USB連接。
在所有這些應用中，自復式聚合正溫度係數元件(PPTC)為USB過電流保護提供了最具價格效益的解決方案。PPTC元件可用於限制USB 3.0主機應用、USB 3.0集線器應用、USB充電器應用，以及USB 3.0 B型功率連接器應用中的電流。在USB電源的VBUS埠安裝的PPTC PolySwitch元件可在短路時限流，防止因突然短路放電造成的過電流損壞，並協助滿足UL60950的需求。
過壓保護免受尖峰電壓損害
儘管USB定義了電源匯流排，但這並沒有消除與過壓相關的風險。過壓事件可由一系列失效條件導致，包括用戶的失誤、穩流不佳的第三方電源、熱插拔事件和電感上的瞬態電壓等。介面和充電系統也會產生負電壓，導致損壞未保護的周邊元件。儘管USB 2.0電源的標稱誤差為5伏特±5%，許多採用USB 2.0介面的高量能系統則被設計成可承受16伏特甚至28伏特電壓(連續)。
由於USB 3.0提高了正常的工作電流及其上限，因此針對過去0.5安培埠設計的過壓保護元件，可能就不太適合用於保護每埠為0.9安培的新USB 3.0介面。當從一個0.9安培主機拔出時，高電壓感應尖峰便會產生，其可能損壞從匯流排上拔出的裝置，但一個設計良好的匯流排將能吸收這些尖峰電壓，從而保護裝置免受這些尖峰電壓的損害。
泰科電子的內部測試顯示，儘管熱插拔引起的瞬態電壓非常短暫，但其電壓可超過16～24伏特。內部測試也已經發現一些第三方生產的充電器，其開路電壓可大幅超過USB規範要求的5伏特±5%，這可能對敏感的電子設備構成威脅。安裝過壓保護元件(如PolyZen自復式聚合物保護齊納二極體元件)在所有USB供電設備的電源輸入端(特別是在VBUS埠)，將有助於保護裝置免受壓事件造成的損壞。
對於USB 3.0裝置，PolyZen元件可安裝在USB輸入口的VBUS上、B型功率插頭的DPWR埠、插座電源埠，以及USB集線器的VBUS輸入端。必須注意的是，USB 3.0不再支援匯流排供電集線器，而僅支援自我供電集線器。在USB 3.0應用中，現在需要一個電源來為集線器的各個埠供電。如果在集線器的輸入端使用一個直流電源連接器，就必須安裝一個電路保護元件來保護集線器電子元件免受如未穩流或不合適的電源、反向電壓及瞬態電壓等過壓事件的損害。圖2顯示如何在VBUS上安裝PolyZen元件，以及在典型的USB電路上安裝六個低電容值的行動電子儲存裝置(PESD)元件，其可提供統合的過壓保護解決方案。
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| 圖2 統合的裝置側過壓保護解決方案 |
要求更低電容值的ESD保護元件
瞬態過壓經常是靜電放電所引起的，它可能會出現在電源匯流排和資料線上。儘管現代IC可對抗高達2,000伏特的高壓，但人類身體可以很容易產生出高達25,000伏特的靜電。在輸入/輸出(I/O)埠保護應用中，資料線要求的ESD元件必須具備快速箝位、快速恢復回應和極低的電容值等特性。
現有的USB 2.0協定允許高達480Mbit/s的資料傳輸速率，並支援即插即用、熱插拔安裝和運作。相較之下，USB 3.0規範允許高達5Gbit/s的資料傳輸速率，並向下支援較低速的USB 2.0規範。
USB 3.0增加了四個到連接器的新接腳，以支援新的SuperSpeed介面：USB3_TX(差動對)和USB3_RX(差動對)。與USB 2.0相比，USB 3.0的SuperSpeed介面要求更低電容值的ESD保護元件。增加非常低電容值的PESD元件可將插入損耗降至最低，以滿足USB 3.0的眼圖(Eye Diagram)要求。憑藉0.2皮法(pF)的典型電容值和大於6GHz的平坦插損區域，PESD元件足以支援USB 3.0應用的要求，並處理無數的ESD瞬態電壓衝擊。
與大多數傳統的多層變阻器(MLV)或瞬態電壓抑制器(TVS)二極體技術相比，PESD元件可提供更低的電容值，而且其低觸發和低箝位元電壓也有助於保護敏感的電子元件。PESD元件適用於USB 2.0高速D+和D-訊號線以及USB 3.0 SuperSpeed訊號線的ESD保護。在電路保護方案中增加PESD元件則更可提升保護級別，從而可滿足IEC61000-4-2規範要求。該規範規定：接觸模式的ESD測試標準是8kV(典型)/15kV(最大)，空氣放電模式的ESD測試標準是15kV(典型)/25kV(最大)。
統合保護提供萬全之策
在USB應用中，一個統合的保護方案可用來增強對高電流、高電壓和ESD瞬態電壓衝擊的保護。圖3和圖4顯示適用於USB 3.0和B型功率連接器設計的電路保護元件。
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| 圖3 一個統合的USB 3.0電路保護方案 |
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| 圖4 針對USB 3.0應用中新的B型功率連接器的統合電路保護方案 |
PPTC自復式過電流保護元件可協助設計者滿足USB 3.0規範的新高電流需求，並提供一項簡單、節省空間的限流解決方案。PESD元件可提供高速資料傳輸應用所需的低電容值(典型0.2皮法)，並可提供目前電子產業最流行的外形尺寸。PolyZen元件既可為設計者提供傳統箝位二極體的簡單性，又不具備持續過壓事件帶來的大量熱散問題。該元件可保護裝置免受因使用不正確的電源、瞬態電壓和其他使用者錯誤而引起的過壓損害。
(本文作者任職於泰科電子)