USB接口的ESD防護設(shè)計方案

來源：EMC容冠電磁更新時間：2024-07-21 閱讀：

采用USB協(xié)議的接口多種多樣，包括USB A、Micro USB、TYPE C、雷靂等等，無論外在接口形態(tài)如何變化，協(xié)議一致的情況下，其ESD防護設(shè)計方案也是相同的。

01 USB2.0/USB OTG

USB 2.0是電子系統(tǒng)中的主流接口，也是微控制器中最常見的接口之一，USB 2.0標(biāo)準(zhǔn)的最大信令速率為480Mbit/s，有效吞吐量高達35MByte/s或280Mbit/s。USB2.0的信號線標(biāo)稱電壓擺幅為400mV至-400mV，而信號的最大電壓為±475mV，作為在無轉(zhuǎn)換發(fā)生時的情況，轉(zhuǎn)換時的電壓限制為±525mV，為過沖和欠沖留出了一些空間。

圖1顯示了基本的保護設(shè)置，USB 2.0連接器有四個引腳：VBUS用于電源，D+和D-用于差分?jǐn)?shù)據(jù)信號，以及一個接地引腳。VBUS引腳將導(dǎo)通一個5V直流電源，因此這條線上的電容無關(guān)緊要，D+和D-數(shù)據(jù)線將傳遞480Mbps差分信號。

圖1 USB 2.0的ESDF防護

VBUS線路需要至少具有5V工作電壓的ESD保護，以確保在正常操作中不會發(fā)生擊穿，D+和D-數(shù)據(jù)線路需要低電容ESD保護，可支持480Mbps信號，單通道和雙通道設(shè)備是簡化布線的好解決方案。對于USB2.0，推薦表1：

表1 USB2.0的ESD/TVS diode選型參數(shù)參考

02 高數(shù)據(jù)速率：USB 3.1/3.2

USB 3.1標(biāo)準(zhǔn)的信號傳輸速度高達10Gbit/s，全雙工通信，超高速與可控阻抗路由相結(jié)合，需要在不顯著影響整體信號完整性的情況下實現(xiàn)良好的ESD保護。圖2顯示了基本的保護設(shè)置，對于USB 3.1，需要出色的箝位性能，加上超低且匹配良好的電容。

圖2 USB3.1的ESD防護結(jié)構(gòu)

USB 3.1/2結(jié)合了TX/RX差分線路，以達到10Gbps的速度，對于這些速度，ESD保護的電容必須最小化，以保持信號完整性。

用于USB 3.2 Gen 2的TX/RX線路的ESD解決方案應(yīng)具有0.3pF或更低的電容，以實現(xiàn)信號完整性，且工作電壓大于3.6V。一種解決方案是用于數(shù)據(jù)線（TX、RX）的超低電容的4通道ESD設(shè)備，結(jié)合用于D+/D的低電容的2通道ESD設(shè)備和用于VBUS線路的單通道ESD設(shè)備。對于USB3.0~，推薦表2：

表2 USB3.0~的ESD/TVS diode選型參數(shù)參考

03 TYPE C

USB類型CTM有一個24針連接器，可支持USB 3.1 Gen2、DisplayPort、HDMI和多種其他可選模式，有16個引腳需要ESD保護。由于USB 3.1 Gen3的Super Speed USB線（TX1+、TX1-、RX1+、RX1-、TX2+、TX2-、RX2+和RX2-）的速度可達10Gbps，電容必須最小化，USB2.0線（D+頂部、D+底部、D–頂部和D–底部）也需要低電容。CC1、CC2和SBU1、SBU2 C型引腳可以達到5.5V，雖然不需要低電容，但建議用于使用備用模式的應(yīng)用。

圖3 TYPE C的ESD防護結(jié)構(gòu)

USB Type-C連接器引腳尺寸較小，板空間非常有限，因此對于C型USB中的所有高速數(shù)據(jù)線，建議使用具有超低電容的節(jié)省空間的2通道ESD設(shè)備。對于SBU和CC線路，建議使用5V ESD設(shè)備，以簡化到PD或CC控制器的布線，如果首選，也可以使用4通道，如圖3所示。

04 高數(shù)據(jù)速率：eSATA

eSATA標(biāo)準(zhǔn)是SATA的一種變體，用于外部連接，如圖4所示，建議eSATA采用ESD保護，一般USB3.0的ESD保護可以覆蓋到eSATA。