了解USB浪涌电流要求

关于上一个问题，我试图了解USB 2.0对浪涌电流的要求。我了解基本概念，但我仍然不清楚一些细节。该规范部分指出：

可以在电缆下游端施加的最大负载（CRPB）为10 F，
与44Ω 并联。10 F电容表示功能中直接跨VBUS线连接的任何旁路电容，以及通过器件中的稳压器可见的任何电容效应。44Ω电阻表示设备在连接过程中汲取的电流的一个单位负载。

如果设备中需要更多的旁路电容，则设备必须结合某种形式的VBUS浪涌电流限制，以使其与上述负载的特性相匹配。

USB-IF还提供了浪涌电流测试的描述：

连接后至少要测量100毫秒的浪涌电流。在插头的VBus和接地引脚与插座匹配时定义连接。
在100 ms间隔内任何超过100 mA的电流都被认为是浪涌电流事件的一部分。浪涌电流分为多个区域。区域是电流超过100 mA的间隔，直到电流下降到100 mA以下至少持续100 µs。在100毫秒内可能有多个浪涌区域。通过/失败取决于电荷最高的区域。

就目前而言，这是明确的，但是它仅给出了最短的测量时间，并且没有说明对突入区域采用哪种算法来得出通过/失败的决定。我认为这个想法是，在电流超过100 mA的区域内，对电流进行积分以在此窗口内转移总电荷，并且总电荷不得大于10 uF // 44的电荷量。 Ω负载。根据一个消息来源，这将是5V * 10 µF = 50 µC。那是我的理解有些动摇的地方。

为了帮助我理解，我分析了以下电路：

$V_1/R_1$$V_1/(R_1 + R_2)$$(1/R_1 + 1/R_2)^{-1} C_1$

$t$

$$Q(t) = \frac{V_1}{R_1 + R_2}t + \frac{V_1 R_2^2 C}{(R_1 + R_2)^2}\{1 - \exp(\frac{-t}{C_1}(\frac{1}{R_1} + \frac{1}{R_2}) )\}$$

$R_1$

$$Q(t) = \frac{V_1}{R_2} t + V_1 C$$

我不了解的一部分是，如果USB总线上有5伏电压，并规定了44Ω负载，则总会有5V / 44Ω= 114 mA电流，这比引用的USB中所述的100 mA限制还大。 -IF测试，并且还超过低功率USB功能（USB 2.0规范第7.2.1节）允许的最大单位负载（即100 mA）。在R1 = 0极限情况下，在R2 * C1 = 440 µs时，此电流将吸收与电容器（即50 µC）一样多的电荷。

因此，如果您仍在阅读，那么问题是，准确地“匹配上述负载的特性”（即与10 µF并联的44Ω）是什么意思，以及所描述的USB-IF涌入是如何产生的？电流测试决定多少电流太大？

谢谢。

答案是：没人知道。

好吧，有人知道，但是浪涌通过/失败测试被认为是专有信息，并且由于他们知道的原因，USB-IF并未公布如何确定。我知道这不是一个很令人满意的答案，但这是简单的事实。

要引用电气符合性测试页面（文本为红色，因此您知道它们比正常的USB-IF严重性严重）：

注意：以下某些批准的测试解决方案使用专有软件来评估信号质量和浪涌电流事件。USB-IF发行的唯一可验证信号质量和浪涌电流的官方分析工具是USBET20。请确保通过USBET运行捕获的信号质量和浪涌电流测试数据，以对测量进行正式评估。

因此，他们明确表示不能单独使用波形捕获或几台示波器的“ USB浪涌测试”功能（我从未见过，所以我不能使用足够昂贵的示波器）来确定是否有效，这是唯一有效的方法如果USBSET20表示您的设备符合合规性，则符合浪涌电流合规性。它接收.tsv / .csv波形捕获数据并输出USB合规性（HTML格式）。

从USB工具下载页面：

USBET20（8MB，2016年8月）是用于USB一致性测试的独立电信号分析工具。USBET20是官方的合规性电气分析工具，可对信号质量和从示波器捕获的涌入电流数据执行通过/失败评估。

为了进一步详细说明，它们仅告诉您最短的测量时间，因为这就是您所需要知道的。您无需知道如何确定实际的通过/失败，实际上，他们并没有告诉您。USB-IF会告诉您是否符合要求，但他们不会告诉任何人他们是如何实际确定的（至少对于浪涌电流而言）。

最大下游负载是与上游设备（主机端口或集线器）相关的规格，这意味着在设计其中一个而不是外围设备时，则该集线器或端口应能够承受44Ω电阻和一个最大电阻的最大下游负载。并联一个10pF电容。而且您是绝对正确的-在最极端的条件下，它可能会在100mA的限制范围内消耗多达25mA的电流。这样，上游设备必须能够处理所连接的负载（“处理”意味着不遭受330mV的下降）。

但是，如果您的外设负载如此之大，它将无法通过合规性测试，因为它将在某些（基本上是全部）可能的电压范围内吸收100mA以上的电流。该负载完全是上游设备的最坏情况设计方案，用于测试它们。它与外围浪涌电流一致性测试无关。

重要的是，这与当前无关。这是关于收费的，因此您已经在正确的道路上了。具体而言，它与电压下降有关。集线器的上游端口在其输出VBUS上必须具有不少于120µF的非常低的ESR电容，该总线必须为下游外围设备供电。

产生最坏情况输出电压（4.75V）的主机或有源集线器，通过最差的连接器（最差的电缆）到达也使用最差的连接器的无电集线器，然后该集线器进一步具有最差的VBUS输入电压至VBUS输出/下游电压降（350mV），则电压将为4.4V。通过cr脚的连接器连接到a脚的外围设备的4.4V电压可使它看到低功率设备的实际绝对最小电压：4.35V。从USB 2.0规范的第175页开始：

让我们做一些数学运算。未供电的上游集线器必须具有120µF的下游电容。在4.4V * 120µF时，电荷为528µC。连接的设备具有一个10pF的电容器。如果您假装没有静态负载或电源，只是端口上有一个已充电的电容器，而外设中一个未充电的10pF，则电荷不会分配，直到另一个充满为止，而是直到它们之间的电压相等为止。电荷是守恒的，因此在给定528µC的初始电荷的情况下，两个电容器的电压将彼此相等，约为4.06V。或者，传输了40.6µC。加上连接器的电阻，在涌入期间，下游电容器甚至无法汲取那么多的电荷。

因此，从字面上看，唯一重要的因素是它不超过10µF。电流并不是真正重要的事情，在电缆电感之类的东西为实际主机功率腾出时间之前，在瞬变期间集线器的下游端口电容如何耗尽而不会下降超过330mV的电流就没什么了。而10pF的电容是最接近的可用值，不会这样做。

另请注意，没有电容限制。只要将其分成10pF的部分，就可以在下游设备上获得1F的所有陶瓷电容，并且只有一个会在连接时连接。连接设备后，您必须保持在任何10pF的台阶以下，但是您可以以10pF的增量逐渐“在线”增加更多的电容。关键是要避免这种瞬变。

是的，这意味着低功耗外设不仅可以工作至4.35V，而且还可以承受330mV的电压降瞬变，例如在将新的东西连接到集线器时。从理论上讲，这也意味着，如果您恰好在正确的时间插入两个设备以使其几乎同时进行，则可能会中断无电集线器上其他设备的运行。我确信，带有HPET的机器人将利用我们USB总线规范中的这一严重缺陷导致我们的失败。

现在，可能还有其他一些微妙的方面，例如dI / dT速率或其他任何方面。谁确切知道通过失败测试中包含的内容。考虑到他们为执行该测试的程序安装了整个7.5MB的安装程序，因此可以假定它并不简单，这很安全。但是请记住，您正在尝试避免用自己的下游电容来过度消耗上游电容器的储备，这实际上就是全部。只要您不导致外设可能引起瞬态电压而导致其他设备发生故障，就可以了。实际上，这仅相当于将连接或其他电源状态下看到的电容保持在10µF。实际情况最好是小于该值，最大为10µF。我不 我不知道从哪里开始，绝对最大应该是从“标准”电容开始的，但是好的工程师比获得最大额定值更了解。总是低估。我喜欢一个漂亮的4.7µF电容器。如果您需要更多的去耦，那么您所要做的就是不直接将其连接到VBUS并将其限制在100mA的浪涌电流，这就是您的黄金。但是，只要在一个区域内仅传送40.6µC的电荷，就可以允许您远远超过100mA。

不用担心浪涌电流。浪涌电流测试实际上与浪涌电流无关。

USB-IF合规性更新（http://compliance.usb.org/index.asp?UpdateFile=Electrical&Format=Standard#45）中指定了浪涌测试。

连接后至少要测量100毫秒的浪涌电流。在插头的VBus和接地引脚与插座配对时定义连接。在100 ms间隔内任何超过100 mA的电流都被认为是浪涌电流事件的一部分。浪涌电流分为多个区域。区域是电流超过100 mA的间隔，直到电流下降到100 mA以下至少持续100 µs。在100毫秒内可能有多个浪涌区域。通过/失败取决于电荷最高的区域。

通过/失败为50 uC或5V x 10uF（@metacolin考虑了下垂，但USB没有考虑）。

您可以查看电流的范围捕获并计算每个区域100 mA以上的面积（i * dt），并在连接后100毫秒内检查最坏情况区域，从而近似涌入。

USBET基于.csv数据进行计算。

实际峰值电流本身并不重要。

这是USB集线器或主机适配器的规格。黑盒模型代表浪涌测试的典型负载，但是该规范仅要求外围设备的最小上限为1uF，10uF被视为标准值负载。由于各种电容器的ESR低至10mΩ，因此电涌将受到电容器的ESR和1或1.5m电缆的电阻的限制。如果忽略电缆和连接器或将其设为0Ω，则理论上可能是500A浪涌= 5V /0.01ΩESR。

实际上，它要少得多，但要点是，主机必须能够防止欠压情况，而与电容的ESR无关。

如何做到这一点，取决于设计师。

所以你的问题...

所述的USB-IF浪涌电流测试如何确定多少电流太大？

答：主机电压应保持在电压规格范围内，以免其他端口因热插入浪涌电流浪涌而超出规格条件。这就是该测试的目的。

此外，如果黑盒测试在测试中未看到任何> 100mA的电涌，则可能无法检测到最小1uF负载的热插入设备。因此，预计会有最小的电涌，没有最大的峰值，但是有最大的持续时间。