使用USB功能时VBUS可以使用多少电容器？

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使用USB功能时，设备端对VBUS引脚（即电源输入引脚）可以连接的电容器容量有严格限制。这些限制源于USB规范，主要目的是防止设备在插入时产生过大的浪涌电流（inrush current），从而保护主机电源和确保可靠的连接。

以下是关键限制：

1. 
   

   USB 2.0 设备：

   
   
   
   
   • 最大允许值：10 μF (微法)
   
   
   • 规范来源： USB 2.0 规范 (第 7.2.1 节)。
   
   
   • 原因： 设备插入时，主机VBUS到设备的未充电电容之间会产生浪涌电流。过大的电容会导致浪涌电流过大，可能超出主机端口的保护能力（通常要求浪涌电流峰值不超过50mA，持续时间不超过100ms），导致主机复位、断开连接或损坏。
   
   
   
   


2. 
   

   USB 3.x (USB 3.0, 3.1, 3.2) 设备：

   
   
   
   
   • 最大允许值：1 μF (微法)
   
   
   • 规范来源： USB 3.x 规范 (通常在第 7.2 节或相关电源章节)。
   
   
   • 原因：
     
     
     
     • 更严格的浪涌电流控制要求。
     
     
     • USB 3.x SuperSpeed 数据线在检测期间也需要从VBUS获取少量电源。过大的电容导致VBUS电压上升过慢，可能超时，导致主机认为设备未正确连接或不支持。
     
     
     • 对电源稳定性的要求更高。
     
     
   
   
   
   


3. 
   

   重要注意事项：

   
   
   
   
   • “电容器”总和： 这个限制值指的是设备端VBUS引脚到地（GND）之间连接的所有并联电容器的总容量。包括用于去耦和储能的有意添加的电解电容、钽电容、陶瓷电容，以及PCB走线寄生电容、稳压器输入电容等。
   
   
   • 测量点： 电容是从设备VBUS入口测得的，设备内部的开关电源或其他电路在未加电时不应吸收或贡献额外电容（设计良好的电路在断开时会隔离其输入电容）。
   
   
   • 主机/Hub端口限制不同： 这些限制仅适用于设备（如U盘、鼠标、键盘、手机等）。主机或自供电Hub的输出端口设计允许较大的输出电容（通常47-120 μF甚至更高，具体值取决于端口数量和设计功率），因为它们需要为连接的上游设备提供稳定的电源。
   
   
   • 浪涌电流控制器： 如果设备确实需要更大的输入电容（例如为内部开关稳压器提供足够的储能），必须在VBUS输入端使用浪涌电流限制器或热插拔控制器（如专用的eFuse芯片）。这些器件可以在插入时主动限制充电电流，在满足规范要求浪涌电流的前提下，允许使用超过10μF/1μF的电容（但仍需谨慎）。简单直接并联大电容而不做任何浪涌控制是违反规范的。
   
   
   • 去耦电容： 为抑制高频噪声，通常允许在VBUS入口并联一些非常小容值的陶瓷电容（例如0.1μF、0.01μF）。这些电容在并联测试时，其对浪涌电流的贡献通常会被忽略（因为它们容值极小且ESR相对较高），但10μF/1μF的限制本身就包含它们。最好将高频去耦电容放在浪涌电流限制器（如果使用）之后或靠近耗电芯片。
   
   
   • USB PD (Power Delivery)： 对于支持USB PD的设备，特别是申请或提供高于默认5V（如9V, 15V, 20V）电压的设备，在VBUS入口电容的限制可能不同，并且强烈依赖于所使用的PD协议芯片和其内置的保护机制（如软启动）。即使如此，基本的上电浪涌要求仍需满足。PD协议本身可能包含电压协商期间的浪涌管理机制。
   
   
   • 设计目标： 在遵循规范的前提下，尽量减少VBUS入口的总电容。建议值通常远低于最大值（例如USB2设备用4.7μF或更低），以留有安全裕量。
   
   
   • 电容类型： 推荐使用低ESR的陶瓷电容（X5R, X7R），避免或严格限制电解电容（因其ESR低可能导致浪涌电流峰值更高）。
   
   
   
   

总结：

• USB 2.0 设备：VBUS 引脚到 GND 的总电容必须 ≤ 10 μF。


• USB 3.x 设备：VBUS 引脚到 GND 的总电容必须 ≤ 1 μF (通常更严格)。

这是USB设备设计中的硬性限制。为了确保兼容性、可靠性和通过USB-IF认证，必须严格遵守此限制。如果需要更大电容，必须使用带有浪涌电流限制功能的电路。设计完成后，务必测量或计算设备VBUS入口的实际总电容。