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制和電源開關功能，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級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制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、雙模式集線器和低功率主機中，還可用作衝擊電流限制裝置。它們將較低的電阻與反應迅速的電流限制功能結合起來，對於功率受限的主機來說是一項實用且節省成本的解決方案。同時，它們具備的快速電流限制回應功能可以進一步減少在故障情況下系統電壓的降低，而且電源的開關功能也可以幫助節省更多的能量。

產業規格的要求

如(表一)所示，USB技術規格規定了在USB產品中需具備的限制電流功能、電源開關功能，或同時提供這兩種功能。在需具備電流限制功能時，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秒內限制在低於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系統中總電壓降的限制。

＜圖註: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

正溫度係數熱敏電阻（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低阻值的電鏈路圖，如(圖一)所示。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，在溫度上升到超過元件的開關溫度（Tsw）時，聚合物內的晶體都會融化，形成非晶體物質。在晶體物質融化的過程中，其體積變大，造成導電性顆粒出現分離現象，並導致元件阻抗呈大幅度非線性增加。

《圖一　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倍以上或更高倍數。電阻增加後，電路中的電流值減至可在故障情況下流動的一個較低且穩定的狀態，因而保護了設備。在元件轉變為高阻值狀態下，可稱之為“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。這種自復式電流限制元件與USB元件的輸出電源埠串聯，在故障情況下的電流限制功能有助於防止電路受損，同時系統不會出現大幅度的電壓下降。而多埠的保護功能，可以在即使有一個埠端已經短路的情況下，USB匯流排的其餘部分還可以繼續發揮其功能。如(圖二)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，只要求輸出電壓的最小值為4.75V，而未對電壓降進行規定。

工作電流是指元件能夠在無限的時間內保持不動作狀態的最大穩定電流。工作電流與溫度相關，設計人員必須考慮到元件所能承受的最高溫度。一般來說，較低的工作電流必然包含較高的電阻和較快的動作時間，較高的工作電流相對提供較低的電阻。對於小功率應用條件下，應該儘量選擇具有最小工作電流的元件。

動作時間是PPTC在故障情況下對動作速度的特性所進行之描述。在小功率應用條件下，動作時間是關鍵因素，因為在整個系統的電壓降低或減弱，且系統性能受到影響之前，小型電源維持在短路電流而不受損的時間可能很短。動作時間數值與元件的設計、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；即電路板上較寬的連線或較大的焊接器等同於散熱器，均可增加動作時間。縮小焊接器的尺寸，選擇較低的工作電流能夠改善動作時間性能。

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，則故障狀態下系統的功率損耗就越小。

《圖二　PolySwitch元件處於故障條件下的回應》

測試的元件性能

電阻：200 mΩ

工作電流：0.75A

動作電流：1.5A

動作時間：18毫秒（本元件）

3分鐘後測量的漏電流：70毫安培（本元件）

保護電源開關技術

《圖三　被保護的電源開關在故障狀態下的工作過程》

保護電源開關元件屬於矽元件，用於USB電源匯流排中，控制傳輸至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”，將電流限制在一個預定的範圍內，這一範圍高於額定的工作電流。隨後，通知控制器已經發生了故障，控制器即可利用切換電源開關上的致能Pin來關閉這一埠。如果控制器未作出回應，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、電流限制設定點、故障旗標延遲、電流限制釋放點以及動作電流提升。

導通電阻將影響系統電源壓降，它在元件不處於電流限制模式時進行測量。較高的導通電阻可能導致元件上的電壓降過大，就有可能導致USB的性能不合格和設備功能不正常。矽元件的導通電阻是供電電壓的函數，最佳的元件應該能夠在較低的匯流排電壓下將電阻和電壓降減少到最低程度，並且保持USB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技術規範的同時儘量降低。

動作時間是指保護電源開關元件啟動其電流限制回路的速度。矽元件所具有的極快動作時間使其成為功率限制應用中的最佳選擇。與PPTC元件不同之處在於其動作後的電流值能夠保持在相當高的水準，並由電流限制的設定值來決定。電流限制設定值是指矽元件一旦動作後將電流所限制到的標準，其數值根據故障狀態的嚴重程度來變化，通常定義為故障電阻的函數。對於小功率的應用，電流限制值應該儘量設低。

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控制器的邏輯輸出。在熱插拔過程中，許多USB設備容性很高，能夠吸取相當大的電流，並超過了規定限值。這造成元件觸發出短暫的電流限制信號，如果這一信號傳達到控制器，則會造成誤動作。如(圖三)所示，採用低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。

《圖四　常用電源開關導入過程與保護電源開關導入過程的對比》

電流限制釋放點是一項對於最終用戶十分關鍵的參數，它規定了一個電流標準，矽元件達到這一電流標準時將解除其電流限制功能。這是一項設計時需要考慮的重要因素，因為一旦電流限制功能啟動，元件的電阻將出現很大幅度的增加，並可能影響到所連接USB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制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。只要將電流限制釋放點設定到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，停止限制電流。

在動作之後，埠處最初的功率耗散是矽元件限制電流的函數。如果此元件可以在故障狀態下關斷，則埠的電流消耗和功率消耗可以忽略不計。如果控制電路無法執行這項功能（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），則絕大多數矽元件將繼續對電流進行限制，直至其達到內部溫度門檻。在達到這個溫度門檻後，元件將開始對埠進行防止過熱的循環週期。在這種狀態下的平均埠消耗電流是熱循環週期和電流限制的函數。對於使用矽元件的小功率應用，重要之處在於配備正確的開/關電路以防止過高“動作”狀態下的消耗功率。

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。(圖四)中對常用的矽電源開關與Power Switch元件進行比較。

《圖五》

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Power Switch內置了這一特性，並且避免在電路板上另外設置電路。故障旗標延遲能夠防止衝擊電流導致埠端發生誤動作，並使所連接的設備能夠開始正常運作。為了進一步減少外部零件的數量，Power Switch分別為啟動引線和標誌引線（FLGA和FLGB）整合了上拉和下拉電阻器。

Power Switch將故障標誌輸出信號設置在CMOS級。這一點對於低成本方案來說是非常關鍵的，因為低成本方案中的一些控制器無法支援5V的輸入信號。而提供對CMOS級輸出信號的支援功能，便不再需要外部分壓網路。

Power Switch也利於單獨埠的保護，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，而其餘的埠則不受影響。(圖五)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上來模擬正常的設備工作狀態。

《圖六　單獨的過電流/過熱保護協調》

Power Switch電源開關元件檢測到了通道A的故障，並開始限制電流。而只有在通道A，Power Switch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。

這項單獨埠的保護功能也影響了功率消耗量，並允許限制點處於最低值以減少故障狀態下功率的消耗。由於每個埠端均進行獨立性保護，最大預計電流在500mA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。

對於小功率應用而言，具備能使某個埠運作或停止運作的功能是很重要的特性。在故障狀態下，矽元件將進入電流限制模式，以防止出現極大的電流實波和電壓降，但是仍能允許較大電流流經埠。如果這一埠不能禁用，則矽元件將真正進入一個過熱循環週期。熱循環週期能夠降低總功率的消耗，但每個通道的功率仍將超過1W。如圖五所示，在保護電源開關通道A能夠由控制器關斷的情況下，能夠使一個埠的電流消耗下降到10μA的水準。

在USB的設計中，另一項重要的考慮因素是隨著電壓的下降，電阻值也會下降。隨著供電電壓的下降，電壓降問題顯得更加突出。一般來說，電壓下降將導致電源開關的導通電阻增加，這是一種不期望的特性。但Power Switch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(圖六)所示，在匯流排電壓較高時，Power Switch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，Power Switch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。

結論

在故障狀態下的自復式電流限制功能有助於防止電路損壞、系統的壓降與週邊系統故障，並有助系統滿足UL的安全標準。PPTC元件是一種成本較低的電流限制解決方案，適用於桌上型電腦、筆記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，增強整個系統的可靠性。

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，Power Switch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制元件。Power Switch元件內置了包括電源開關功能的電流限制功能，提供較低的導通電阻和快速的電流限制特性。這些特性均有其應用在功率有限的主機中。在這種主機中加入電源開關功能，就可以利用關閉出現故障的埠端來作最大限度地節省能量。

（作者為泰科電子Raychem電子部多媒體市場經理）

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