USB 3.0端口的ESD保護(hù)方案

無處不在的通用串行總線(USB)接口即將迎接又一次換代，以便緊跟連接帶寬需求不斷增長的步伐。USB3.0或所謂“超高速USB”預(yù)計(jì)將在傳輸速度、電源管理和靈活性方面向前跨越一大步。USB 3.0的開發(fā)方向包括提供更高的傳輸率、提高最大總線功率和設(shè)備電流、提供全新的電源管理功能以及向下兼容USB2.0的新型電纜和連接器。而最顯著的變化是新增了一條與現(xiàn)有USB 2.0總線并行的物理總線，見圖1。

　　USB 3.0電流傳輸能力的提高強(qiáng)化了對全新電路保護(hù)方案的需求。一種協(xié)同電路保護(hù)手段將有助于在USB 3.0應(yīng)用中防止因過流、過壓和ESD(靜電放電)瞬態(tài)而受損。

　　過流保護(hù)

　　USB 3.0通過兩類器件供電：標(biāo)準(zhǔn)主控設(shè)備(A型連接器)和新型供電設(shè)備(Powered-B連接器)。新的SuperSpeed規(guī)范提高了流向USB設(shè)備的電流大小-從最大額定電流0.5 A提高至0.9 A。Powered-B連接器可以通過從兩個(gè)額外連接器輸送最高1.0 A的電流來對設(shè)備充電。

　　由于過流條件會(huì)影響電源總線，因此所有功率源(如主機(jī)和集線器)都需要進(jìn)行過流保護(hù)。

　　新型Powered-B連接器的主要優(yōu)勢在于改善了便攜性、方便性和功率效率。通過增加兩個(gè)額外觸點(diǎn)，新型連接器可以讓一種電子設(shè)備為另一種電子設(shè)備提供高達(dá)1000 mA的電流。比如，打印機(jī)可以為一臺無線適配器供電，這樣就不再需要連接有線網(wǎng)絡(luò)。

　　與USB 2.0類似，各型USB 3.0連接器都具備供電能力。USB3.0的單裝置負(fù)載從USB 2的100 mA提高至150 mA。一臺電子設(shè)備最多可以拖動(dòng)6臺裝置(標(biāo)準(zhǔn)連接器和微型連接器每端口最高900mA)。標(biāo)準(zhǔn)USB 2.0連接器應(yīng)用在USB 3.0中仍然不變。然而，盡管USB2.0集線器可以通過總線供電，但USB 3.0將不會(huì)提供這種選擇，而只能通過自有電源供電。

　由于需要一個(gè)插孔端口對USB 3.0集線器應(yīng)用中的所有連接器供電，因此該插孔上需要使用電路保護(hù)器件防止因過壓事件受損，這類事件可能有非穩(wěn)壓電源、逆向電壓或電壓瞬態(tài)。圖2表示了在VBUS上安裝泰科電子PolyZen器件以及在該器件端口上安裝六個(gè)小電容PESD器件的方法，幫助實(shí)現(xiàn)協(xié)同的過流/過壓保護(hù)方案。

　　此外，對于支持USB充電的系統(tǒng)還需要具有大電流能力的過流保護(hù)器件。PolySwitch聚合正溫度系數(shù)(PPTC)器件可以提供具有成本效益的USB過流保護(hù)方案。如圖3所示，在VBUS端口上安裝PolySwitch器件有助于防止因設(shè)備下游側(cè)突然短路而造成的過流損傷并降低各種USB應(yīng)用中需要的功率損耗。

　　過壓保護(hù)

　　針對傳統(tǒng)0.5A端口設(shè)計(jì)的USB過壓保護(hù)器件不適合每端口0.9A的新USB規(guī)范。如果一臺0.9A主機(jī)斷開，將產(chǎn)生高感應(yīng)電壓尖峰，這會(huì)對仍然留在總線上的設(shè)備造成負(fù)面影響。設(shè)計(jì)完善的總線會(huì)吸收這種尖峰，防止設(shè)備與其接觸。各種接口和充電系統(tǒng)都會(huì)因?yàn)槭褂貌徽_充電器、穩(wěn)壓不良的第三方充電器或者熱插拔事件而使便攜式電子設(shè)備面臨受損的危險(xiǎn)。雖然典型USB電源具有5V ±5%的穩(wěn)壓線路，但在特殊情況下，這些線路上的電壓也可能大大超過5.25V。接口和充電系統(tǒng)也會(huì)產(chǎn)生負(fù)電壓，導(dǎo)致未采取保護(hù)措施的外圍設(shè)備受損。

　泰科電子的內(nèi)部檢測表明，熱插拔引起的瞬態(tài)，盡管時(shí)間很短暫，但電壓幅度卻可能超過16~24V。內(nèi)部檢測還發(fā)現(xiàn)第三方充電器的開路電壓超過了5V ±5%的USB規(guī)范要求。在所有USB受電設(shè)備，尤其是VBUS端口上安裝過壓保護(hù)器件(如PolyZen聚合體保護(hù)zener二極管器件)可以有效防止因電壓瞬態(tài)而受損。對于USB 3.0設(shè)備來說，PolyZen器件可酌情置于USB輸入端口、Power -B插頭和母插孔電源端口上。

　　ESD保護(hù)

　　過壓瞬態(tài)往往是ESD造成的，電源總線和數(shù)據(jù)總線上都可能出現(xiàn)。盡管現(xiàn)代集成電路可以抵御最高2000 V的電壓，但人體本身卻能輕易地聚集高達(dá)25000V的靜電。在I/O端口保護(hù)應(yīng)用中，數(shù)據(jù)線上需要具有快速鉗位和恢復(fù)響應(yīng)的極低電容ESD器件。

　　現(xiàn)有USB 2.0協(xié)議支持最高480Mbps的數(shù)據(jù)傳輸速率、即插即用、熱插拔安裝和運(yùn)行。比較而言，USB 3.0規(guī)范支持的數(shù)據(jù)傳輸速率高達(dá)5Gbps，并向下兼容低速USB 2.0規(guī)范。

　　USB 3.0在連接上增加了四個(gè)新引腳來支持全新的SuperSpeed接口：USB3_TX (差分線對)和USB3_RX(差分線對)，如圖4所示。

　　USB 3.0的SuperSpeed接口需要比USB 2.0電容更低的ESD保護(hù)。增加極低電容PESD器件可以減小插入損耗，滿足USB 3.0的眼圖要求。PESD器件的典型電容為0.2pF，超過6 GHz范圍內(nèi)插入損耗平穩(wěn)，同時(shí)可以應(yīng)對各種ESD瞬態(tài)。

　　與多數(shù)傳統(tǒng)MLV(多層變阻器)或TVS(瞬態(tài)電壓抑制)二極管技術(shù)相比，PESD器件具有更低的電容，而其低觸發(fā)電壓和低鉗位電壓也有助于保護(hù)敏感電子元件。該器件適用于USB2.0的高速D+和D-信號線和USB 3.0的SuperSpeed信號線。在電路保護(hù)設(shè)計(jì)方案中增加PESD器件可以實(shí)現(xiàn)滿足IEC61000-4-2標(biāo)準(zhǔn)要求的保護(hù)水平，該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定接觸模式為8kV (典型)/15kV(最大)，規(guī)定空氣放電模式為15kV(典型)/25kV(最大)。

　　協(xié)同電路保護(hù)

　　協(xié)同電路保護(hù)設(shè)計(jì)可用于改善對USB應(yīng)用中大電流、高電壓和ESD瞬態(tài)的保護(hù)。圖5和圖6給出了USB 3.0設(shè)計(jì)方案需要的附加電路器件，并與USB 2.0設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了比較。

　　器件推薦

　　PolySwitch過流保護(hù)器件可以幫助設(shè)計(jì)人員滿足USB 3.0規(guī)范的大電流要求并提供簡單、節(jié)省空間的解決方案。PESD器件具有高速數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)用所需的低電容(一般為0.2pF)和電子行業(yè)最普遍的外形尺寸。PolyZen器件能為設(shè)計(jì)人員提供傳統(tǒng)鉗位二極管的易用性，又不需要大量的散熱。這種單一器件有助于對使用不正確電源提供保護(hù)，也能防止因過流事件而造成損傷。

　泰科電子建議在ESD保護(hù)中使用以下器件：

　　USB 2.0高速D+/D-線和USB 3.0 SuperSpeed線：

　　● PESD0402-140 (EIA 0402規(guī)格)

　　● PESD0603-240 (EIA 0603規(guī)格)

　　5VDC線：

　　● PESD: PESD0402-140 (EIA 0402規(guī)格)，或

　　● MLV: MLV0402-120-E120、MLV0402-180-E030或

　　MLV0603-130M-C201

　　泰科電子建議在USB過流保護(hù)中使用的器件如表1所示。

　　泰科電子建議在所有USB受電設(shè)備上安裝過壓保護(hù)器件，特別是VBUS端口上，如表2所示。