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金瑞电子（JK）USB 3.0过电流保护PPTC自恢复保险丝组件应用解决方案

来源：金瑞电子

2018-08-29

类别：工业控制

240

拍明

原标题：USB 3.0过电流保护PPTC组件应用解决方案

随着高新技术的不断提升，外围设备也在不断更新换代，在USB应用方面，USB3.0除了提升速度外，同时对电力的供应也有所提高。针对业界常用的过电流保护组件高分子正温度系数热敏电阻(PPTC)做介绍，并于在USB 3.0的应用下比较与低电压半导体开关的差别。

此外，我们将对USB 3.0与USB 2.0的差异，提出USB 3.0过电流保护 PPTC 组件应用建议，并以新一代薄型低电阻表面粘着PPTC组件为例说明新的导体材料开发进程，透过运用新材料，可为当前的超薄型电子产品提供良好过电流保护。

由于电子产品对速度、功率的要求不断提高，自去年11月USB 3.0规格底定后，除了速度提升至5Gbps外，对电力供应的要求也从500mA提高到900mA。不管是在系统端或是组件端，新的速度和功率都带来了全新挑战新规格涵盖了新的数据传输协议、电源管理架构，到确保资料成功地在主机及装置间传输。不过，在这些USB 3.0的升级中，唯一没有改变的，就是对于安规的要求。系统工程师现在需要分配足够的电力到这些连接埠，并谨慎地整合‘过电流保护’功能。

目前I/O连接埠的设计通常有整合电源线，直接供电到外围设备，或提供电力读取装置端中EEPROM的资料。为了防止在未连接的状态下发生短路，或连接上装置后发生的异常状况造成过电流，这些电源接脚都需要做好保护的功能。PPTC是非常适合提供此种保护的组件之一，而且也成为了电子设计中的主流，符合各种规范需求或安规要求，如UL 60950。

用于过电流保护的PPTC

PPTC是一种非线性、根据温度而变化的电阻。一般情况下，PPTC组件拥有极高的导电度，所以电路可以正常运作。但是当过电流状况发生的时候，此高电流会在PPTC组件上产生足够的能量(焦耳热效应)以超过其转移温度，造成104到106倍的电阻值弹跳。因此可排除过电流状况，达到保护电路及组件的目标。

在USB 3.0的规范中，明确要求使用限电流组件作为电源端之保护，而PPTC组件及低电压半导体开关常被用来做此限电流的解决方式。大部分的时候，基于多种考量，工程师比较偏好使用PPTC组件来防止电路受到损害。因为可支配的电流量在USB 3.0中提高了，限电流的组件需要通过更多电流，但却同时要保持一定的压降。表1为在USB 3.0应用中，PPTC组件与低压半导体组件的比较，在价格、阻值、最大故障电流能量及静电敏感度等方面均更具优势。

相较于USB 2.0，USB 3.0建立了新的电源管理结构，并定义了新的连结状态及机制，以达到更好的整体电源效率。而在电源供应的分配上，3.0规格大致与2.0相同，但提升了电力需求且放宽了压降要求。SuperSpeed装置在与主机完成初始设定后，就可以使用到900mA的电流。在供电电压的要求上，主机上的根连接端口或 HUB上的连接埠都从原本的4.75V降到了4.45V，且由USB供电的装置必须在4.00V就要能够正常运作。其它规定像是瞬间电流的限制、主机休眠或待命模式下的限流等，除了更新电流配置到150mA或高功率的900mA外，其它要求都与旧规格一样严谨。

目前，针对USB 3.0的过电流保护，业界已出现了新的PPTC组件，可确保设计符合USB 3.0版规范要求。例如，尽管USB 3.0降低了在电源端的电压要求，但新一代PPTC组件仍可确保PPTC的压降在电流全载时不超过0.1V，除可确保与USB 2.0装置的兼容性以外，也为主板上其它组件或线路保留了更大的设计余裕。此外，新一代过电流保护组件皆能够在50℃以上高温时保持电流全载且不动作，避免PPTC组件因为温度的关系(thermal derating)而误动作，尤其是在桌上型计算机的后端USB端口。

在USB 应用中PPTC 与半导体开关比较

	PPTC	半导体开关
价格	低	中
可恢复性	可以	可以
最大故障电流	高（100A）	低
最大故障能量	高	低
静电敏感度	无	高
反应时间	毫秒（ms）	微秒(us)
电阻	低	中

USB应用中推荐使用 JK-nSMD150,JK-SMD1210-150，JK-nSMD200，JK-SMD1210-260.

JK产品：https://www.iczoom.com/brand/885-c-1-20.html

JK产品特性

应用原理

传统保险丝作为过流保护，仅能保护一次，烧断了就需更换。而作为新型过流保护元件的可恢复保险丝具有过流保护，自动复原双重功能：

过流保护 JKPPTC元件串接在电路中，正常情况下，呈低阻状态，保证电路正常工作;当电路发生短路或窜入异常大电流时，JKPPTC元件的自热使其阻抗增加把电流限制到足够小，起到过电流保护作用。

自动复原当产生过电流的故障得到排除，JKPPTC元件自动复原到低阻状态。这既避免了维护更换，也避免了可能引起电路损坏的持续循环的开闭状态。JKPPTC可恢复保险丝具有过流保护，自动复原双重功能的原因是由于其特殊的构造。JKPPTC可恢复保险丝是又高分子聚合物及导电材料等混合制成。正常情况下，导电材料通过聚合物材料构成三维导电通道，JKPPTC阻值很小;当有异常大电流通过时，JKPPTC元件温度迅速上升，聚合物材料随即膨胀，使得导电通道断开，引起阻抗剧增，通过的电流变小，电路如同断开，达到保护目的。当异常大电流消失后，JKPPTC的自热不足以维持其高阻状态，其阻抗又恢复到低阻状态。与传统保险丝相比，具有可自复，体积小，更坚实的优点。

动作原理

JKPPTC可恢复保险丝的动作原理是一种能量的动态平衡，流过JKPPTC元件的电流由于JKPPTC的关系产生热量，产生的热全部或部分散发到环境中，而没有散发出去的热便会提高JKPPTC元件的温度。

正常工作时的温度较低，产生的热和散发的热达到平衡。JKPPTC元件处于低阻状态，JKPPTC不动作，当流过JKPPTC元件的电流增加或环境温度升高，但如果达到产生的热和散发的热的平衡时，JKPPTC仍不动作。当电流或环境温度再提高时，JKPPTC会达到较高的温度。若此时电流或环境温度继续再增加，产生的热量会大于散发出去的热量，使得JKPPTC元件温度骤增，在此阶段，很小的温度变化会造成阻值的大幅提高，这时JKPPTC 元件处于高阻保护状态，阻抗的增加限制了电流，电流在很短时间内急剧下降，从而保护电路设备免受损坏，只要施加的电压所产生的热量足够JKPPTC元件散发出的热量，处于变化状态下JKPPTC元件便可以一直处于动作状态(高阻)。当施加的电压消失时，JKPPTC便可以自动恢复了。

恢复时间特性

在JKPPTC元件过电流条件消失后的几秒内，JKPPTC元件的温度很快下降，JKPPTC元件便很快恢复到其低阻状态。

环境温度的影响

1、环境温度的提高在超过25°C时便会使通过可恢复保险丝的电流递减。

2、环境温度20°C时线路上的电流100%通过可恢复保险丝，但若有超过两倍以上额定电流产生时，可恢复保险丝便会动作。

3、环境温度越高，通过的电流越大，则动作的时间会越短。环境温度与电流值折减率如下表所示：

规格	-20°C	-0°C	20°C	30°C	40°C	50°C	60°C	70°C	85°C
JK16 系列	132%	120%	105%	96%	88%	80%	71%	61%	47%
JK60 系列	136%	119%	100%	90%	81%	72%	63%	54%	40%
JK30 系列	130%	115%	100%	91%	83%	77%	68%	61%	52%
JK6 系列	130%	115%	115%	91%	83%	77%	68%	61%	52%
JK250 系列	132%	117%	100%	91%	85%	77%	68%	61%	48%
JK600 系列	138%	119%	100%	92%	83%	73%	64%	55%	42%