Tyco Electronics Power Components/Raychem Circuit Protection Division
Adrian Mikolajczak
2003年11月B版
在USB的功耗管理方面，USB规范要求产品具备电流限流和/或电源切换功能。规范指出，可复位的聚合物正温度系数(PPTC)器件和固态开关可以用作过流保护措施。在出现故障的情况下，可复位限流措施不仅有助于防止电路受损拖喙叵低车氖В矣兄谙低车陌踩源锏経L标准。
PPTC 器件与熔断器类似之处，在于它们可以保护电路不受过大电流的损伤。它们与熔断器的区别在于：当电路电源被切断、故障排除以后，其自身能够复位。保护性的电源开关器件，其内部除了电源开关功能外，还具有可复位的电流限流功能，最常见的应用就是总线供电的集线器、双模式工作集线器和低功耗主控。它们被用作防浪涌限流器件，同时具备电阻小、限流动作快等特点。对于功耗受到严格限制的主机来说，这是一种实用的、经济性好的解决方案，在这类主机中，快速的限流响应能在故障条件下进一步减少系统的电压降，而且可通过对电源的开断控制来改善节能特性。
工业规范要求
USB规范提出，USB产品需要具备电流限流或电源切换能力，有时甚至需要同时具备这两种能力(表1)。需要限流功能的产品，其必须满足UL 60950规范的要求。这意味着一旦出现短路或者其他故障的话，必须在60s内将电流输出限制到5A以下。USB规范还定义了可接受的电压输出水平，对系统的总压降也作出了限制。
保护性电源开关技术
USB电源总线上所用的保护性电源开关器件，是硅基串连元件，用于控制电源到端口的电流，保护电路和器件不受过大电流的损伤。与PPTC器件类似的是，保护性电源开关在出现过流的情况下会自动断开，但这一动作要经历两个步骤。器件在数微秒内先“跳开”，把电流限制到一个预定的范围之内，该范围高于通常的工作电流；然后器件向控制器发出出现故障的信号。然后控制器切换电源开关使能引脚的状态，从而将端口关闭。如果控制器不作出响应，电源开关就不断开启和关闭端口，以防止内部因过热而受损。
关键性的器件参数
USB应用中涉及的关键性器件参数包括：开关电阻、连续输出电流、跳脱动作时间(time-to-trip)、限流设定点、故障标志发出延迟(fault flag delay)、限流释放点和跳脱点电流消耗(tripped current draw)。
开关电阻
开关电阻既会影响系统功耗，也会影响到最终用户对器件的使用体验。该参数是当器件工作在非限流状态下测量出的。高开关电阻就意味着该器件的电压降过高，将导致USB产品不能满足标准，而且器件功能也会出现异常。硅基开关电阻是电源电压的函数，最好的器件，在总线电压较低时其电阻值和对应的电压降也最小，从而USB的输出电压就能更好的满足标准要求。
连续输出电流
连续输出电流是器件不“跳闸”时的电流水平。对于电源功率较小的系统来说，在满足USB规范的前提下，这一参数应该设定为一个尽可能小的量值，这样做会有助于减少短路条件下的电压降。
跳脱动作时间
跳脱动作时间这一参量的确定，可以反映出保护性电源开关器件启动其限流电路的速度。硅器件具有极快的跳脱动作时间，因此对限制功率的应用来说是首选器件。然而与PPTC器件不同的是，跳脱(动作)之后的电流水平仍然维持在相当高的水平上，这一水平由限流设定点确定。
限流设定点
限流设定点是指硅器件跳脱后其电流的极限水平，其大小与故障条件的严重程度有密切关系，它一般定义为故障条件下电阻的函数。对小功率应用来说，限流设定点应该设定为尽可能小的量值。
故障标志发送延迟(Fault Flag Delay )
把故障标志延迟功能集成到硅器件中，可以防止“跳脱扰乱”，改善最终用户的使用体验。故障标志是一个逻辑电平输出，用于在某一特定USB端口出现问题时向 USB控制器发出警告。在USB热插拔过程中，许多USB功能都呈现出大电容特性，会吸纳很大的电流，其大小会超过规范规定的极限值，这将导致器件在极短的时间内处于限流工作状态，如果将这一故障报告给控制器，就会引起扰乱性的跳脱动作。如图1所示，增加一个9毫秒的故障标志发送延迟，就可以防止这些时间极短的事件触发故障标志的发送。
限流释放点
限流释放点是一个影响到最终用户体验的关键参数。它是指硅器件脱离其限流模式工作时电流所达到的水平。这是一个重要的设计考虑因素，因为，一旦限流功能启用的话，器件电阻会大大增加，可能会影响与之相连的USB器件的正常工作。如果限流释放点设定值过小，在热插拔过程中进入限流工作模式的器件，在最初的电流浪涌平息之后仍然会保持“脱开”状态，从而使USB无法正常工作。把限流释放点设定在 500mA以上，一旦USB装置的电流恢复到正常工作水平的话，保护性电源开关就会终止限流。
跳脱点电流消耗(Tripped Current Draw )
端口处出现跳脱动作后，初始的功耗是硅器件限流特性的函数。如果器件在出现故障的情况下可以被关闭，则端口电流和功耗可以忽略。不过，如果控制电路不采取行动的话(也就是说，对高态使能的器件来说，使能端始终被保持为高电平，或者器件中未集成电源开关功能)，多数硅器件就会继续限制电流的大小，直到其内部温度升至温升阈值。温度升至温升阈值时，端口就会因过热而周期性开启和关断。在这些条件下，端口平均电流消耗将是温升循环和电流限的函数。对采用硅器件的低功耗应用来说，利用一个恰当的on/off控制电路来防止“跳脱后”的功率耗散过大，将具有重要意义。
结语
正确理解USB保护性电源开关的关键设计参数，将有助于设计者成功地降低成本、提高系统的可靠性、改善最终用户对产品的体验和感受。在USB电源管理方面，保护性电源开关融合了多种检测和保护功能，从而保证了性能的提高、减少了元件的数目。要选出一种合乎使用要求的器件、明确其特性要求，就必须对其若干关键的器件参数进行周全的考虑，这样才能确保系统工作可靠、不负最终用户的期望。
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