USB 3.0傳輸速率高達5Gbit/s，且電源匯流排也有高達900毫安培的最大輸出電流，因此電路電氣瞬變和過流故障的預防極為重要，設計人員必須慎選適當的熱敏電阻（PTC）和靜電放電（ESD）方案，才能確保訊號完整性，并降低系統故障風險。

　　通用序列匯流排（USB）規范自1996年發布以來，截至2012年為止已累積超過三十五億個電腦周邊設備的USB連接裝置出貨量。2010年，當第一批支援USB 3.0規格的裝置上市，銷售量就達到約一百萬個，2012年更一舉增長至五百萬個左右，足見其市場成長相當迅速。

　　相較于USB 2.0，USB 3.0擁有四個額外數據通道，傳輸速率高達5Gbit/s（圖1），而且電源匯流排也有高達900毫安培（mA）的最大輸出電流，這些新規格加上晶片尺寸不斷縮小，使得預防電路電氣瞬變和過流故障的問題變得更加重要且復雜，因為高速傳輸下，即使只是很小的靜電放電（ESD）和短路事故，都將為系統帶來嚴重危害。

　　圖1 USB 3.0增加雙差分數據對，藉以達成5Gbit/s高速傳輸速率。

　　由于晶片靈敏度、訊號完整性和系統可靠性都是系統設計人員非常關注的事情，因此USB 3.0系統上的寄生電容、低箝位電壓和低電阻都成為電路保護元件選擇的關鍵指標。由于USB 3.0電源線可允許更大電流通過，電流保護器可有較低的電阻，在確保低壓降方面也變得至關重要。一項成功設計的關鍵是要掌握保護技術，如熱敏電阻 （PTC）、壓敏電阻和ESD方案等，本文將詳細解釋須考慮的設計因素。

　　USB 3.0飆高速　電路保護挑戰更艱鉅

　　USB 2.0到USB 3.0最重要的物理變化是引進SSRX+/SSRX和SSTx+/SSTx兩個差分數據，并維持和現有D-/D+資料匯流排并列運行的模式，這允許資料全雙工同時傳輸，改進USB 2.0匯流排只能單個雙工傳輸的問題。此外，USB 3.0還將電源匯流排上的電流從500毫安培增加到900毫安培，擴增外部設備供電的選擇，不再需要額外電源配套方案。

　　由于USB 3.0引進額外的差分數據，引發更多ESD防護需求，過去以分離元件保護每個單獨資料線的方式已不足以保護其電路，工程師面臨的挑戰是要找到更好的ESD 和電壓瞬態保護方案，使敏感性資料線在沒有增加訊號畸變電容的情況下也能得以保護。現階段，業界大多采直接放在資料對中的新半導體陣列ESD保護裝置，同時保護傳統USB 2.0資料線，以及USB 3.0額外的資料線。

　　與此同時，USB 3.0規范第11.4.1.1.1中規定，為安全起見，主機和所有自供電集線器須實現過電流保護，該集線器須檢測過電流情況，并將其報告至USB控制軟體。過電流限制機制須在毋須用戶干預的前提下自行復位，聚合物PTC和固態開關就可用于過電流限制的方法之一。

　　根據UL60950-1標準要求，USB 3.0可能還需要其他過電流保護功能，USB匯流排收發器晶片或電源管理晶片雖已提供部分電流限制功能，但是當晶片不包含電流限制或附加保護功能時，電路設計人員須為電源匯流排設計電流限制PTC。

　　在電源匯流排上安裝聚合物PTC可在短路的情況下限制電流，并防止由突然的短路引起的過電流損壞，還可幫助實現UL60950-1標準中第2.5節（有限電源，表2B）的規定，限制短路電流在5秒內小于8安培。

　　相關的USB集線器應用程式和USB 3.0的過電流保護規范如11.4.1.1.1條中陳述，如果下行埠的總電流超過預定值時，過電流保護電路可消除或減少所受影響的下行埠功率。預設值不能超過5安培，且須足夠大于所允許的最大埠電流或時間延遲的瞬態電流（例如開機、動態連接或重新配置時），達成過電流保護。

　　肩負USB 3.0埠保護重任　PTC選用規格大有學問

　　圖2所示為用于多埠集線器配置的PTC解決方案，表1則顯示推薦的單一埠和兩個埠中聯動的PTC元件，并針對新的USB電池充電規范1.2版列出所需的PTC方案。

　　圖2 USB 3.0多埠集線器配置架構圖

　　在選擇PTC做為USB埠保護時，還須考慮幾個關鍵參數，包括最大電流須支援900毫安培、PTC位置的工作溫度、觸發速度和直流電阻等。表1中所有PTC都能保護最大電流為900毫安培的USB 3.0埠，就算最高工作溫達60℃也不會跳閘。

　　由于溫度變化急劇可能使PTC的觸發速率下降，所以這也是PTC選擇過程中的一個重要方面，設計師選擇PTC時應考慮不相容的USB 3.0設備，且負載900毫安培電流的情況，使PTC在最高工作溫度下有超過900毫安培的最大可用電流，否則，PTC可能會錯誤觸發。

　　每個PTC也要在電流8安培的時候，以小于5秒的速度進行短路故障觸發，因此符合UL60950-1有限電源規范以及把USB 3.0規范中電流限制在5安培是很重要的。

　　選擇最合適的PTC最后的關鍵參數是直流電阻。由于USB 3.0現在提供最大電流為900毫安培，所以電路中的功耗須進一步降低，此外，電源匯流排兩端元件的電壓降也須縮小，特別當是該電路電阻預算很吃緊的時候。

　　整體而言，選擇PTC的主要目標是確保電流設備在最高溫度下能承受至少900毫安培電流。以設定60℃為最糟糕的設計溫度情況為例，單埠應用應選擇最小尺寸且可支持最大所需電流0.95安培的方案，如表1中的第一個方案。若使用一個PTC保護兩個USB 3.0埠，表1中第三個方案是一個不錯的選擇，因為它在60℃時可保持2.19安培電流，滿足各方面的安全考慮。