如何保護(hù)高速接口

本文為電子設(shè)計(jì)工程師提供了在不影響傳輸/接收性能或干擾產(chǎn)品尺寸限制的情況下保護(hù)高速接口的建議。

考慮了四種通信協(xié)議：

通用串行總線 （USB） 標(biāo)準(zhǔn)繼續(xù)以更高的速度格式發(fā)展，

高清多媒體接口 （HDMI），

DisplayPort 接口，

和外部串行高級(jí)技術(shù)附件 （eSATA）。

表 1 中描述了這些標(biāo)準(zhǔn)的目的及其當(dāng)前的最大帶寬。

表 1.通信協(xié)議、功能和最大數(shù)據(jù)速率

USB接口

USB 端口在個(gè)人計(jì)算機(jī)、計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備、電子測試和測量儀器以及眾多其他產(chǎn)品中無處不在。USB 接口允許在計(jì)算機(jī)、智能設(shè)備和外圍設(shè)備之間輕松快速地連接。它于 1996 年首次標(biāo)準(zhǔn)化，并一直在以更高的速度發(fā)展，并允許為電池供電的設(shè)備充電提供更多的電力承載能力。

USB 實(shí)施者論壇 （USB-IF）通過四次重大修訂升級(jí)了該標(biāo)準(zhǔn)。有線 USB 標(biāo)準(zhǔn)從 1.0 版開始，一直到 2.0 版、3.x 版，目前到第 4 版、USB4。

表 2 列出了從 2.0 到 USB4 的版本，并顯示了每個(gè)版本的最大吞吐量如何大幅增加。

表 2. USB 接口的當(dāng)前活動(dòng)版本及其最大數(shù)據(jù)傳輸速率

不同的數(shù)據(jù)速率允許 USB 端口與從慢速鍵盤到高速視頻設(shè)備的各種設(shè)備連接。設(shè)計(jì)人員可以利用通用接口，其中信號(hào)線不專用于一種設(shè)備的特定功能。此外，設(shè)計(jì)人員可以將 USB 接口設(shè)置為對(duì)時(shí)間要求嚴(yán)格的功能具有低延遲，或在后臺(tái)進(jìn)行大量數(shù)據(jù)傳輸。

此外，該標(biāo)準(zhǔn)還定義了 USB 版本 1 至 3 的供電 （PD） 版本。PD 版本允許通過 USB 接口對(duì)設(shè)備進(jìn)行充電和供電。功率容量從 2.5 W （5 V @0.5A） 增加到 100 W （20 V @ 5A）。

USB 連接器也得到了發(fā)展，以實(shí)現(xiàn)更高的數(shù)據(jù)速率和更大的電源可用性。圖 1 顯示了用于每個(gè) USB 版本的各種連接器的引腳配置和相關(guān)連接器尺寸。表 3 顯示了每個(gè)連接器可以實(shí)現(xiàn)的最大數(shù)據(jù)速率。

圖 1.為各種 USB 標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的 USB 連接器

表 3. USB 連接器類型的最大數(shù)據(jù)速率

保護(hù) USB 2.0 接口

USB 2.0 接口由一條 VBUS 電源線和兩條數(shù)據(jù)線組成，如圖 2a 所示。

圖 2. USB 2.0 和 USB 3.2 接口的推薦保護(hù)組件

VBUS 線可以從交流電源線接收其功率，但會(huì)受到電流過載和交流電源線上傳播的電壓瞬變的影響。應(yīng)在 VBUS 線路上安裝自恢復(fù)保險(xiǎn)絲以防止過載，以便當(dāng)過載解決后，自恢復(fù)保險(xiǎn)絲將復(fù)位，電路可以繼續(xù)工作。

聚合物正溫度系數(shù) （PPTC） 保險(xiǎn)絲是一種自恢復(fù)保險(xiǎn)絲，其電阻會(huì)因過載電流產(chǎn)生的熱量而顯著增加。PPTC保險(xiǎn)絲的內(nèi)部結(jié)構(gòu)在過載時(shí)會(huì)發(fā)生變化，導(dǎo)致電阻增加。當(dāng)器件冷卻時(shí)，低電阻結(jié)構(gòu)恢復(fù)。這些保險(xiǎn)絲專為最大額定電壓通常為 24 V 的低壓電路而設(shè)計(jì)。

PPTC保險(xiǎn)絲的其他特點(diǎn)是：

當(dāng)電流低于保險(xiǎn)絲的跳閘額定值時(shí)，超低電阻，范圍從 mΩ 到約 2 Ω

100 mA 至 9 A 的寬電流額定值范圍

快速旅行

0402 至 2920 尺寸的節(jié)省空間的表面貼裝封裝

UL 組件認(rèn)可和 TUV 認(rèn)證。

為了保護(hù)由 VBUS 線路供電的電路免受電源線感應(yīng)瞬態(tài)和靜電放電 （ESD） 沖擊，請使用單向瞬態(tài)電壓抑制器 （TVS） 二極管陣列。這種類型的二極管陣列的版本提供：

能夠安全吸收高達(dá) 40 A 的電快速瞬變電流和 5 A 的雷擊電流

能夠承受空中或直接接觸的 ±30 kV ESD 沖擊

5 V 電路中的最大低漏電流為 0.5 μA

節(jié)省空間的 0201 表面貼裝封裝

確保保護(hù)數(shù)據(jù)線免受可能破壞數(shù)據(jù)傳輸?shù)碾妷核沧??？紤]一個(gè)用于數(shù)據(jù)線保護(hù)的 4 通道 TVS 二極管陣列。

圖 3 所示的二極管陣列具有以下功能：

安全吸收 +22 kV ESD 空氣或直接接觸沖擊和 – 10 kV ESD 沖擊通過空氣或直接接觸

每個(gè)引腳對(duì)地的電容為 0.3 pF，對(duì)數(shù)據(jù)線的影響最小。

10 nA 的低漏電流，可將電路負(fù)載降至最低。

因此，完全保護(hù) USB 2.0 端口只需要三個(gè)組件。

圖 3.具有用于瞬態(tài)電壓保護(hù)的齊納二極管的 4 通道 TVS 二極管陣列

保護(hù) USB 3.2 接口

如上圖 2b 所示，USB 3.2 接口包括一條 VBUS 線和六條數(shù)據(jù)線和控制線。使用推薦的相同組件來保護(hù) VBUS 線路，如針對(duì) USB 2.0 接口討論過的過流和過壓事件。為了保護(hù) 6 條數(shù)據(jù)線免受電壓瞬變的影響，請考慮在每個(gè)端口上使用分立 TVS 二極管陣列。

單個(gè) TVS 二極管陣列可以具有以下功能：

從電快速瞬變中安全吸收高達(dá) 40 A 的峰值電流

ESD 保護(hù)高達(dá) ±18 kV 空中和 ±12 kV 直接接觸

低漏電流，最大值為 20 nA

0.09 pF pin-pin 的低電容，不會(huì)影響信號(hào)完整性

使用單獨(dú)的 TVS 二極管可為高速 USB 端口提供更大的保護(hù)，同時(shí)降低電容組件，從而將對(duì)數(shù)據(jù)傳輸容量的影響降至最低。

使用 Power Delivery 修訂版保護(hù)高速 USB 3.2 和 USB 4.0 接口

USB 3.2 Gen 2x1 及更高版本需要使用 Type-C 連接器。從圖1可以看出，Type-C連接器是一種高密度連接器。因此，Type-C 連接器容易因灰塵和污垢進(jìn)入連接器而導(dǎo)致觸點(diǎn)之間的電阻短路。

由于電源引腳上的功率高達(dá) 100 W，因此始終存在損壞連接器和相關(guān)電路的可能性。使用配置通道 （CC） 線上的數(shù)字溫度指示器保護(hù) USB Type-C 連接器免受與電阻故障相關(guān)的熱量，如圖 4 所示。

圖 4. USB 3.2 和 USB 4.0 Type-C 接口的推薦保護(hù)組件

借助 CC 線上的數(shù)字溫度指示器，它可以在任何功率條件下提供準(zhǔn)確的保護(hù)，從 5W 等最低級(jí)別一直到 USB-C 的最大容量 100W。有關(guān)實(shí)現(xiàn)此熱保護(hù)功能的更多詳細(xì)信息，請參閱USB Type-C 標(biāo)準(zhǔn)。

為了防止瞬變，請考慮使用不同版本的 TVS 二極管陣列。為具有最低電容的 SuperSpeed 線路選擇 TVS 二極管陣列。通過選擇漏電流低的 TVS 二極管陣列來保持低功耗，特別是對(duì)于 VBUS 線路。

如果您的產(chǎn)品將用于汽車行業(yè)，請選擇符合 AEC-Q101 標(biāo)準(zhǔn)的 TVS 二極管陣列（基于汽車電子委員會(huì)故障機(jī)制的分立半導(dǎo)體壓力測試認(rèn)證）。

保護(hù) HDMI、DisplayPort 和 eSATA 接口

建議對(duì)高清多媒體接口 （HDMI） 、DisplayPort 和 eSATA 接口端口采用類似的保護(hù)方案，因此將這三個(gè)接口放在一起考慮。HDMI 將來自顯示控制器的高清視頻和數(shù)字音頻結(jié)合到視頻顯示設(shè)備或音頻設(shè)備。HDMI 被稱為事實(shí)上的高清電視標(biāo)準(zhǔn)。自 2004 年以來，HDMI 接口已被納入產(chǎn)品中。它現(xiàn)在是 2.1 版，可以以最高 48 Gbps 的速率傳輸數(shù)據(jù)。

DisplayPort 接口設(shè)計(jì)用于將視頻數(shù)據(jù)從視頻源傳輸?shù)斤@示設(shè)備，例如 PC 顯示器。該接口可以同時(shí)傳輸音頻和視頻，取代了VGA標(biāo)準(zhǔn)。DisplayPort 于 2006 年首次推出。2.0 版的目標(biāo)數(shù)據(jù)速率為 77 Gbps，預(yù)計(jì)將于今年晚些時(shí)候完成。該接口兼容HDMI接口。視頻電子標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)維護(hù) DisplayPort 標(biāo)準(zhǔn)。

串行高級(jí)技術(shù)附件 （SATA）接口最初由 IBM 為 IBM AT PC 以并行格式開發(fā)，它定義了一個(gè)接口，該接口現(xiàn)在是磁盤驅(qū)動(dòng)器的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)接口。外部 SATA （eSATA） 標(biāo)準(zhǔn)于 2004 年發(fā)展，為外部硬盤驅(qū)動(dòng)器連接創(chuàng)建了強(qiáng)大的連接。

保護(hù)這三個(gè)接口（如圖 5 所示）免受瞬態(tài)破壞可能需要一個(gè)單一的組件類型，即四線 TVS 二極管陣列。

圖 5. HDMI、DisplayPort 和 eSATA 接口的推薦保護(hù)

圖 6 顯示了 4 線 TVS 二極管陣列的配置。

圖 6.用于抑制四條高速數(shù)據(jù)線上電壓瞬變的 TVS 二極管陣列

TVS 二極管陣列（例如 4 線陣列）提供：

0.2 pF 的超低電容，對(duì)傳輸眼圖影響不大

25 nA 漏電流，可實(shí)現(xiàn)最低功耗

通過空氣或直接接觸傳輸提供高達(dá) ±20 kV 的 ESD 保護(hù)

SOD 883 封裝以節(jié)省 PC 板空間并降低走線布局的復(fù)雜性。

保護(hù)您的端口可增強(qiáng)產(chǎn)品的穩(wěn)健性和可靠性

保護(hù)傳輸接口涉及選擇在不影響傳輸信號(hào)的情況下為電路提供保護(hù)的組件。幸運(yùn)的是，不需要太多組件。但是，需要考慮的組件范圍很廣。

在設(shè)計(jì)和選擇保護(hù)組件時(shí)利用制造商的專業(yè)知識(shí)來節(jié)省寶貴的開發(fā)時(shí)間。制造商可以幫助就具有成本效益的解決方案提供建議。保護(hù)您的設(shè)計(jì)免受電流過載和電壓瞬變的影響，將產(chǎn)生穩(wěn)健、可靠的設(shè)計(jì)，從而提高您的產(chǎn)品在市場上的聲譽(yù)并降低保修期內(nèi)的服務(wù)成本。