USB-Power-Management Wie PPTC-Elemente Stromkreise in USB-Anwendungen schützen

Die USB-Spezifikation schreibt Strombegrenzungs- und Leistungsschalter-Elemente für das USB-Power-Management vor und empfiehlt für den Überstromschutz selbstrückstellende PPTC-(Polymeric-Positive-Temperature-Coefficient-)Elemente und Halbleiterschalter. Ebenso wie Schmelzsicherungen schützen sie Stromkreise vor Schäden durch zu hohe Stromstärken. Abgesehen von ihren selbstrückstellenden Eigenschaften haben diese Bausteine in USB-Applikationen aber noch weitere Vorteile.

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In einem USB-Produkt können laut USB-Spezifikation sowohl Strombegrenzung als auch Schaltfunktion erforderlich sein. Im Falle der Strombegrenzung müssen die UL 60950-Spezifikationen eingehalten werden, die festlegen, dass der Ausgangsstrom bei einem Kurzschluss oder einer anderen Störung binnen 60 s auf weniger als 5 A begrenzt werden muss. Ferner legt sie akzeptable Ausgangsspannungen fest und be-grenzt den Gesamtspannungsabfall im System.

Beim Einsatz in USB-Hosts und -Hubs mit eigener Stromversorgung werden die selbstrückstellenden PPTC-Elemente mit dem Stromversorgungs-Ausgang des jeweiligen USB-Geräts in Reihe geschaltet. Dadurch können im Störungsfall Schäden am Stromkreis und ein Spannungseinbruch vermieden werden.

Außerdem kann bei einzeln geschützten Ports der übrige USB-Bus normal weiter arbeiten, selbst wenn an einem Port ein Kurzschluss aufgetreten ist. Wie Bild 1 deutlich macht, sind Ansprechzeit, Widerstand und Verlustleistung die wichtigsten Parameter für USB-Applikationen.

Die Angabe des Widerstands bezieht sich, wenn nicht anders angegeben, stets auf den nicht aktivierten Zustand. Je geringer der Widerstand eines PPTC-Elements ist, umso kleiner ist im normalen Betriebszustand der Spannungsabfall zwischen Stromversorgung und USB-Ausgang. In Bus gespeisten Hub-Applikationen muss dieser Spannungsabfall kleiner als 0,1 V sein. Der Gesamtwiderstand aller Serien-Elemente und Leiterbahnen muss folglich kleiner als 1 V (bei 100 mA) sein. Für Hosts und Hubs mit eigener Stromversorgung ist kein Spannungsabfall spezifiziert. Vielmehr ist hier die Angabe der Mindest-Ausgangsspannung von 4,75 V relevant.

Der Nennstrom ist der höchste Dauerstrom, den ein Baustein über unbegrenzte Zeit hinweg verkraftet, ohne anzusprechen. Da der Nennstrom temperaturabhängig ist, muss der Entwickler auch die maximale Umgebungstemperatur einkalkulieren, welcher der Baustein ausgesetzt wird. Allgemein ausgedrückt, implizieren niedrigere Nennströme einen höheren Widerstand und eine kürzere Ansprechzeit, während höhere Nennströme einen niedrigeren Widerstand bedeuten. In Anwendungen mit geringer Leistung sollte stets der Baustein mit dem geringst möglichen Nennstrom gewählt werden.

Niedriger Nennstrom verbessert die Ansprechzeit

Die Ansprechzeit bezeichnet die Zeitdauer, in der ein PPTC-Element im Störungsfall aktiviert wird. Kritisch ist die Ansprechzeit in Low-Power-Applikationen, da ein klein dimensioniertes Netzteil möglicherweise nur kurze Zeit den Kurzschlussstrom liefern kann, bevor die gesamte Systemspannung einbricht und die Funktion des Systems beeinträchtigt wird. Sie hängt in hohem Maße von der Konstruktion und Größe eines Bauelements sowie vom Nennstrom ab. Ebenso kann sie vom Leiterplatten-Layout beeinflusst werden, denn breite Leiterbahnen oder Pads können als Kühlkörper wirken und das Ansprechen hinauszögern. Kleinere Pads sowie Elemente mit niedrigem Nennstrom können die Ansprechzeiten verbes-sern.

Ein weiteres Kriterium für Low-Power-Designs ist die Verlustleistung bzw. der Leckstrom im aktivierten Zustand. Hat ein PPTC-Element ange-sprochen, so verbleibt es in diesem aktivierten Zustand und lässt einen geringen Leckstrom (mit einer daraus resultierenden Verlustleistung) durch, bis der aktivierte Zustand verlassen wird. Je niedriger dieser Leckstrom ist, umso weniger Leistung nimmt das System im Störungsfall auf.

Leistungsschalter kontrollieren die Stromabgabe

Geschützte Leistungsschalter enthalten zusätzlich zur Schaltfunktion eine integrierte Strombegrenzung. Eingesetzt werden sie üblicherweise in Bus gespeisten Hubs, Dual-Mode-Hubs und Hosts mit niedriger Leistungsaufnahme sowie zum Begrenzen von Einschaltstoßströmen. Sie verbinden einen niedrigen Widerstand mit einer schnell ansprechenden Strombegrenzung. Damit bieten sie eine Lösung für Hosts mit begrenztem Verlustleistungs-Budget, in denen eine schnell reagierende Strom-begrenzung den Spannungseinbruch im Störungsfall weiter reduziert und das Power-Switching zur Verringerung des Energiebedarfs beitragen kann.

Geschützte Leistungsschalter sind in Reihe geschaltete Halbleiter-Bauelemente, die im USB-Stromversorgungsbus die Leis-tungsabgabe an die Ports kon-trollieren. Gleichzeitig helfen sie, Stromkreise und Bauelemente vor Überströmen zu schützen. Ebenso wie ein PPTC-Element spricht auch ein geschützter Leistungsschalter bei überhöhter Stromstärke an. Dies geschieht jedoch in zwei Phasen. Der Baustein reagiert zunächst in wenigen Mikrosekunden und begrenzt den Strom auf einen vorgegebenen Bereich, der allerdings höher ist als die nomi-nelle Betriebsstromaufnahme. Anschließend wird dem Control-ler das Auftreten einer Störung signalisiert, woraufhin dieser den Port durch einen Zustandswechsel am Enable-Pin des Leistungsschalters deaktivieren kann. Bleibt eine Reaktion des Controllers aus, schaltet der Leistungsschalter den Port zyklisch ein und aus, um Schäden durch interne Überhitzung zu vermeiden.

Entscheidende Parameter von Leistungsschaltern für USB-Applikationen sind der Wider-stand des Schalters, der Dauer-Ausgangsstrom, die Ansprechzeit, der Strombegrenzungs-Sollwert, die Verzögerungszeit des Fault-Flags, der untere Strombegrenzungs-Grenzwert und die Stromaufnahme im aktivierten Zustand. Der Schalterwiderstand kann sich auf die Leistungsaufnahme des Systems auswirken. Gemessen wird er an dem Leistungsschalter, der sich nicht im Strombegrenzungsmodus befindet.

Tritt ein hoher Widerstand ein, kann die Span-nung am Leistungsschalter stark abfallen und somit bewirken, dass die USB-Spezifikation nicht erfüllt wird oder das Produkt nicht korrekt funktioniert. Der Widerstand eines Halbleiterschalters kann dabei eine Funktion der Versorgungsspannung sein: der beste Schalter ist derjenige, der bei niedrigeren Busspannungen ein Minimum an Widerstand und Spannungsabfall aufweist, damit die vorgeschriebenen USB-Ausgangsspannungen eingehalten werden.

Der Dauer-Ausgangsstrom ist derjenige Strom, bei dem der Baustein gerade nicht anspricht. Er sollte bei Low-Power-Applikationen möglichst niedrig angesetzt werden. Die Ansprechzeit gibt die Geschwindigkeit an, mit der ein geschützter Leistungsschalter seine Strombegrenzungs-Schaltungen aktiviert. Anders als beim PPTC-Element aber können die Stromstärken nach dem Ansprechen noch recht hoch sein.

Die Höhe dieses Stroms wird durch den Strombegrenzungs-Sollwert angegeben. Auf diesen Wert wird der Strom nach dem Aktivieren des Halbleiterbausteins begrenzt. Er hängt vom Ausmaß des Störungsereignisses ab und wird deshalb meist als Funktion des Widerstands der Störung ausgedrückt. In Low-Power-Anwendungen sollte dieser Strom möglichst niedrig sein.

Verzögerung verhindert ungewolltes Ansprechen

Die Implementierung eines Fault Delay Flag in dem Halbleiterbaustein hilft, ein ungewolltes Ansprechen zu verhindern. Es handelt sich bei diesem Flag um einen Logikausgang, der dem USB-Controller einen Fehler an einem der USB-Ports signalisiert. Beim Anschließen von USB-Geräten bei laufendem System (Hot Plug) kann es durch die hohe Kapazität der Produkte zu einer kurzzeitig stark erhöhten Stromaufnahme kommen, die den zulässigen Grenzwert übersteigt.

Dieses kurzzeitige Ereignis ist jedoch unkritisch und muss dem Controller nicht signalisiert werden. Wie in Bild 2 gezeigt, wird deshalb eine Fehler-Flag-Verzögerung von 9 ms eingebaut, die zunächst ablaufen muss, bevor ein Signal an den Controller geht. Dies vermeidet ein ungewolltes Ansprechen bei kurzzeitigen Störungsereignissen.

Ein kritischer Parameter ist der untere Grenzwert der Strombegrenzung. Dies ist die Stromstärke, bei deren Unterschreiten die Strombegrenzungs-Funktion des Halbleiterbausteins deaktiviert wird. Wichtig ist dieser Wert, weil der Widerstand des Leistungsschalters bei aktivierter Strombegrenzung deutlich erhöht ist und eine einwandfreie Funktion eines angeschlossenen USB-Geräts möglicherweise verhindert.

Wird er zu niedrig angesetzt, kann ein Baustein, der bei einem Hot-Plug-Ereignis in den Strombegrenzungs-Modus gerät, auch nach dem Abklingen der Einschalt-Stoßströme aktiviert bleiben und ein korrektes Funktionieren des USB-Geräts unmöglich machen. Setzt man die Strombegrenzungs-Freigabeschwelle über 500 mA an, deaktiviert der geschützte Leistungsschalter seine Strombegrenzung, sobald das USB-Gerät nur noch seinen regulären Strom aufnimmt.

Die von einem Port nach dem Ansprechen zunächst aufgenommene Leistung ist eine Funktion des Stroms, den der aktivierte Halbleiterbaustein noch durchlässt. Kann das Gerät während eines Störungs-Ereignisses abgeschaltet werden, sind Strom- und Leistungsaufnahme vernachlässigbar. Sollte dagegen keine Regelungsschaltung implementiert sein, bleiben die meisten Halbleiterbausteine weiter im Strombegrenzungs-Modus, bis ein interner Temperaturgrenzwert erreicht ist. Sobald dies geschieht, wird der Port thermisch bedingt fortlaufend ein- und ausgeschaltet.

Die durchschnittliche Stromaufnahme des Ports unter diesen Bedingungen hängt vom Tastverhältnis, das sich unter den herr-schenden thermischen Bedingungen einstellt, ebenso ab wie vom Grenzstrom. Bei Low-Power-Applikationen mit Halbleiterbausteinen ist es wichtig, geeignete Ein/Aus-Steuerungsschaltungen zu implementieren, damit eine hohe Verlustleistung im aktivierten Zustand verhindert wird.

Neue USB-Peripherie verlangt neue Lösungen

USB ist nach wie vor die bevorzugte Lösung zum Anschluss von PC-Peripheriegeräten. Viele dieser Geräte benötigen jedoch mehr Leistung, als ein einziger USB-Port bereitstellen kann. Zurzeit legt die USB-Spezifikation fest, dass High-Power-Hosts einen Strom von mindestens 0,5 A je Port bereitstellen müssen. Einige Peripheriegeräte wie etwa CD-R/W-Laufwerke können jedoch, beispielsweise beim Anlaufen des Spindelmotors, mehr Strom aufnehmen.

Einige Peripherie-Entwickler haben auf diesen zusätzlichen Leistungsbedarf reagiert, indem sie ihre Geräte mit zwei USB-Anschlüssen ausstatten oder eine zusätzliche Stromversorgungs-leitung vorsehen. Lösungen mit mehreren Anschlussleitungen können den Anwender jedoch verwirren, zumal es geschehen kann, dass das betreffende Gerät in einigen Fällen mit einer Verbindung arbeitet, während es in anderen Situationen zwei Leitungen benötigt. Die in den meisten Desktop-Computern benutzten PPTC-Stromkreisschutzlösungen können die höheren Ströme durchaus für kurze Zeit zulassen, sodass ein Betrieb mit einer Anschlussleitung möglich ist. Bei herkömmlichen Leistungsschalterlösungen in Halbleitertechnik können dagegen wegen der sehr strikten und rasch an-sprechenden Strombegrenzung zwei Leitungen für einen korrekten Betrieb notwendig sein.

Bis vor kurzem war für eine typische PPTC-basierte Lösung ein Nennstrom von 1,5 A erfor-derlich, um zwei parallele Ports zu schützen. Neuerdings besteht in solchen Anwendungen dagegen der Trend, einen 2-A-Baustein zu verwenden. Bei Halbleiter-Leistungsschaltern steigt der spezifizierte Nenn-strom von bisher 0,5 A je Kanal rasch auf 0,75 bis 1,5 A je Kanal.

*Martin Kram ist Sales Manager Central, South and East Europe bei Tyco Electronics/Raychem Circuit Protection.

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