USB 3.0供电电路设计的关键考量

2010-10-08 21:24:01来源: 互联网

  针对USB-IF对USB 3.0的重大更新规格中,USB 3.0界面升级,除了多数业者都相当关心的传输效能增进方面,其实USB 3.0因应相关设备的充电与驱动需求,所大幅提升的界面高电力供应规范,也带来USB界面设计不管在Host端或是Device端的保护电路设计新挑战。

  多数消费者都希望可以大幅缩短行动装置的充电时间,例如Apple iPad装置,由于装置本身装载高容量的锂电池,若透过低电压、低电流的USB 2.0界面进行充电,势必会大幅增加充电所需时间,加上iPad推出市面初期,也有透过计算机USB 2.0界面充电过慢或是无法充电的疑虑,而在iPad随机提供的变压器上,针对此采提供高输出电流的变压器作为随机配件,但在Host端,依旧会遭遇USB界面充电速度限制的难解问题。

  

  PPTC保护元件,可为USB界面提供完善之过电流保护。

  

  USB 3.0界面电气规格大幅升级,也带来相关应用设计新挑战。

  而iPad的推出,凸显了未来行动装置,为增加电池续航力而采取加大电池容量的设计趋势,若以旧有5V/500mA的USB界面进行应用,肯定会让装置在充电时遭遇使用体验大幅扣分,检视新一代USB 3.0界面所规范的5V/900mA界面电气规格,至少可以提供USB 2.0界面节省一倍的充电时间。

  加速充电也带来新的设计挑战

  在USB 3.0相关规范中,即明确要求装置或界面必须搭配限电流元件进行相关设计,以提升界面的电源应用保护,而在电源供应分配方面,USB 3.0规格大致与USB 2.0界面接近,而SuperSpeed装置在与Host完成初始设定后,装置即可使用到近900mA的界面电流,而在供电电压方面,Host连接埠或HUB上的连接埠,会从原本的4.75V降至4.45V,甚至采USB界面进行供电的外接装置,必须仅4.00V界面电压即可正常运作。其它USB 3.0相关规范规定,如瞬间电流限制、主机待命/休眠模式下的界面限电流等,除在界面最高额定电流配置高功率的900mA外,其它要求都与USB 2.0界面电气规格一样严谨。

  以USB 2.0界面的电气规格观察,USB单埠就必须供应5V/500mA电源,这相当于2.5W的电力输出,以2.0的界面设计,为了呼应缩短装置充电时间的设计要求,一般设计为了装置的充电安全考量,大多不会采取让Host端以界面规范的极限2.5W进行充电,多数会把「实际」的输出功率略降,以2~2.1W的方式为装置进行充电,甚至有些装置为求安全,还会把自USB汇流排的汲取电流座更多的限制,或远低于界面极限的500mA进行充电。

  相同的,在USB 3.0所规范的900mA,基本上在电子电路设计方面,必须为了电池充电安全考量,而无法以界面极限进行相关充电机制设计,但如此一来升级装置界面的优势(即缩短充电时间)效益就显得不够显著。系统设计者在USB界面转换至3.0的设计方案,必须面对的设计问题,就有界面电源输出功率从2.5W一举提升到4.5W近一倍的差异。

  在实际设计案例中,多数Host端设置的USB埠不会仅有一组,可能会有3~4组不等,而设计师又得面临管理多个界面的供电电路、电力匹配与输入电压源和电池间的PowerPath设计,同时设计还必须妥善配制电路保护设计,以确保重要IC免于受瞬时高压影响或损坏,而相关的设计方案又必须能兼具极度缩小体积的设计趋势与USB 2.0回溯支持要求,增加许多相关装置的开发难度。

  利用PowerPath IC改善供电设计

  在装置趋于轻薄与缩小化的产品趋势,一般针对电源控制设计的电子电路,大多必须占用较多PCB的面积,加上PCB朝多层板为使用重点,借以缩小产品的设计空间,但此举也造成可用的PCB板面积越来越少,更不可能导入电源相关保护线路设计。

  在实际设计案方面,多数会采行具PowerPath的控制IC来搭配界面设计,也就是说电源控制IC本身即具备自主管理与USB电源设计的对应方案,例如,可在充电应用状态时让Host端优先针对负载进行电源供应,同时将输出电流尽可能在安全范围内提升到界面需求,而这类电源控制IC也可依据Host装置所处于的供电状态是市电110V供应还是电池供电模式,而进行不同的PowerPath应用模式。

  而在充电模式下,一般Host端的供应状态也不能以最高输出加速接续产品的充电效率,因为不同的装置也有其电池安全特性,多数的设计必须搭配电池追踪(Bat-Track)机制确认可进行的最高充电输出,透过Bat-Track取得与追踪装置的最佳充电状态,掌握Device的可耐受充电设计,藉此尽可能加速充电进行。

  考量USB供电电路的关键重点

  而针对USB供电的行动装置,透过Host端进行中的的应用模式很难避免,在Host端肯定必须针对此进行更完整的配套设计,以避免充电效率低下、或造成高热损问题,而在电子电路的设计方面,也必须搭配Over Voltage Protection;OVP)电路,防止瞬态高压造成装置或Host端的意外损坏。

  业界常用过电流保护元件Polymer Positive Temperature Coefficient(PPTC)设计方案,为搭载USB 3.0界面的电子装置提供良好的过电流保护设计,为避免连接、或未连接状态发生的短路问题,或是于装置与Host连接后发生的异常过电流状况,都必须针对电源相关接脚进行保护设计措施。

  以PPTC的元件表现观察,其电气特性为非线性、随温度巨幅变化的电阻零组件,在正常情况下PPTC元件可保持极佳导电性,但当元件因过电流出现高热现象,于PPTC零组件上产生足够焦耳热效应,PPTC元件极短时间内形成超过100倍电阻值变化,藉此达到保护电路、电子装置的设计目标。目前针对USB 3.0界面设计需要的过电流保护方案,业界多会搭配PPTC元件进行电路设计,此可确保产品设计可符合USB 3.0界面的电气规范要求。

  

  图说:USB 3.0界面电气规格大幅升级,也带来相关应用设计新挑战。

关键字:USB3.0  保护元件  电源控制  电子电路  电子装置

编辑:金海 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/mndz/2010/1008/article_2607.html
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