主板USB供电和ESD保护详解 一

主板USB供电和ESD保护详解一、各种USB接口供电设计

依据ACPI标准的要求，USB接口要采用2路供电，一路是+5V供电，一路是+5VSB供电。当系统在ACPI的S0（系统正常运行）/S1（CPU休眠）二种状态时，USB接口由电源供应器的+5V供电。当系统在ACPI的S3（休眠到内存）/S5（系统关闭待机）状态时，USB接口由电源供应器的+5VSB供电。这里涉及到2路供电的切换，就是说系统从S0/S1/S2转换为S3/S4/S5状态时，USB接口的供电要从+5V切换到+5VSB。

USB供电的切换设计方案目前有三种：手动跳线切换，MOSEFT切换和专用芯片切换。现在我们具体看看这三种切换方案。

1、手动跳线切换

图1：跳线切换+5V/+5VSB实例

上图是某品牌高端P45主板的前置USB接口，采用跳线切换+5V和+5VSB，主板上带有跳线设置说明。当用户需要使用USB设备（例如键鼠）从S3休眠状态下唤醒时，这个USB设备连接在哪个USB接口就要把这个接口的跳线设置在2-3。设置跳线后该USB接口就一直由+5VSB供电，无论系统处于S0/S1还是S3/S5状态。

图2：跳线切换+5V/+5VSB电路原理

这种方案的好处是节省成本，厂家的利润多一点。缺点是唤醒设备只能使用跳线设置的USB接口，不灵活，会给用户带来不便。

供电电路的过电流和短路保护采用自恢复保险丝。当USB设备出现故障导致电流增大或短路时，保险丝切断供电，保护供电电路不被过电流烧毁。

2、MOSEFT切换

图3：MOSEFT切换+5V/+5VSB实例

上图是另一品牌高端P45主板的前置USB接口，采用2颗MOSEFT切换。切换原理参见下图。

图4：MOSEFT切换+5V/+5VSB电路原理

MOSEFT1用于+5V，MOSEFT1的道通控制极—栅极连接+5V驱动信号。MOSEFT2用于+5VSB，MOSEFT2的道通控制极—栅极连接+5VSB驱动信号。当系统处于S0/S1状态时，+5V驱动信号为高电平（+5VSB驱动信号是低电平），MOSEFT1导通，+5V经过MOSEFT加到USB接口。当系统处于S3/S5状态时，+5VSB驱动信号为高电平（+5V驱动信号是低电平），MOSEFT2导通，+5VSB 经过MOSEFT加到USB接口。

这种方案的优点是可以通过BIOS设置依据系统状态切换USB接口的供电来源。比跳线切换方便。

供电电路的过电流和短路保护也是采用自恢复保险丝。当USB设备出现故障导致电流增大或短路时，保险丝切断供电，保护供电电路不被过电流烧毁。

3、专用芯片切换

图5：采用专用芯片切换+5V/+5VSB的微星P45-platinum

跳线切换和MOSEFT切换是早期的USB接口供电方案，微星采用最新的技术成果—专用芯片。

图6：S12专用芯片原理

S12芯片内部有切换逻辑电路，配合S3#信号状态，在+5V和+5VSB之间切换，当系统处于S0/S1模式时，+5V通过S12给USB接口供电。当系统处于S3/S5模式时，由+5VSB通过S12给USB接口供电。EN信号可以开启/关闭5V输入。S12芯片内部有限流电路可以限制输出电流，还有过电流/短路保护。因此采用S12芯片后，不再需要自恢复保险丝。

S12芯片内部具有防静电（ESD）电路，可以承受2KV的静电放电。

二、静电（ESD）保护设计

人体以及一些物体很容易带大量的静电荷，当正负静电荷接触时，会产生放电现象，静电电压很高，几百伏到十几千伏，放电电流很小。静电放电经过半导体电子设备时，会击穿半导体器件，所以各类半导体设备都要预防静电放电。多数USB设备是便携式设备，容易产生静电，带有静电的USB设备插入USB 接口时容易发生静电放电，击毁计算机内的元件（芯片组）。所以芯片组（南桥）、USB接口、USB设备自身都要加防ESD电路和器件。

USB接口的数据线（D-和D+）端加ESD保护器件，会提高计算机防庆典保护能力。一般在主板的每个USB接口附近会看到一颗6 Pin的小芯片，这颗芯片就是静电保护芯片。

1、微星P45 Platinum的ESD保护设计

图7：微星P45-platinum的USB接口ESD保护

图8：ESD芯片的连接

从图8可以看到ESD芯片2/5和3/4脚连接在南桥和USB接口的数据线之间，平时USB的数据通过ESD芯片在南桥的USB控制器和USB接口之间传输。当USB接口插入带静电的USB设备时，静电会在ESD芯片内对地放电，而保护南桥的USB控制器。

2、其他品牌主板的ESD保护设计

图8：其他品牌主板的ESD保护设计

从图8可以看到左侧的主板没有ESD保护芯片，右侧的主板有ESD保护芯片。

三、微星USB接口供电和ESD保护设计应用到全系列主板

前面以微星的P45 Platinum主板为例介绍了微星USB接口供电和ESD保护设计的先进性和特色。那么中端和低端的主板是不是也采用这种设计方案？可以说微星全系列主板都采用这种设计。

图9：微星P45 Neo3-F主板USB接口供电和ESD保护设计

图10：微星G43M2主板USB接口供电和ESD保护设计