簡(jiǎn)述保護(hù)高速接口的一些建議

在“保護(hù)您的端口！保持通信連接的頂級(jí)設(shè)計(jì)技巧”系列的第二部分中，我們探討了保護(hù)高速接口的方式，包括 USB、HDMI、DisplayPort 和 eSATA。

存在大量通信電路和協(xié)議以服務(wù)于廣泛的應(yīng)用。由于這些電路在不同的設(shè)備之間傳輸和接收數(shù)據(jù)，因此接口的端口會(huì)受到對(duì)其電路的外部威脅。這些威脅包括閃電造成的電流過(guò)載和電壓瞬變、電氣快速瞬變 (EFT) 和靜電放電 (ESD)。

這些電路需要保護(hù)免受這些外部威脅造成的損壞，但不能破壞接口的傳輸協(xié)議。實(shí)施保護(hù)方案后，通信電路必須可靠地傳輸未損壞的數(shù)據(jù)；并且，接收方必須準(zhǔn)確地檢測(cè)和解碼信息，以完全恢復(fù)原始數(shù)據(jù)。

本文是有關(guān)保護(hù)通信接口的系列文章中的第二篇。第一個(gè)提出了用于保護(hù)以太網(wǎng)供電接口端口的解決方案**]()。本文向電子設(shè)計(jì)工程師提供了保護(hù)高速接口的建議，同時(shí)不影響傳輸/接收性能或干擾產(chǎn)品尺寸限制。

考慮了四種通信協(xié)議：

• 通用串行總線 (USB) 標(biāo)準(zhǔn)隨著更高速度的格式不斷發(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 描述了這些標(biāo)準(zhǔn)的用途及其當(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(cè)試和測(cè)量?jī)x器以及眾多其他產(chǎn)品中無(wú)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，并且一直在以更高的速度發(fā)展，并允許為電池供電的設(shè)備充電的更多電力承載能力。

該USB-實(shí)施者論壇（USB-IF）已經(jīng)升級(jí)通過(guò)四個(gè)主要版本的標(biāo)準(zhǔn)。有線 USB 標(biāo)準(zhǔn)從 1.0 版開(kāi)始，已經(jīng)發(fā)展到 2.0 版、3.x 版，目前是修訂版 4，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. 當(dāng)前活動(dòng)的 USB 接口版本及其最大數(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(pán)到高速視頻設(shè)備的設(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(zhuān)用于一種設(shè)備的特定功能。此外，設(shè)計(jì)人員可以設(shè)置 USB 接口，以便為時(shí)間關(guān)鍵功能提供低延遲或支持在后臺(tái)運(yùn)行的大量數(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 版本允許設(shè)備通過(guò) USB 接口充電和供電。電源容量從 2.5 W (5 V @0.5A) 增加到 100 W (20 V @ 5A)。

USB 連接器也已經(jīng)發(fā)展到能夠?qū)崿F(xiàn)更高的數(shù)據(jù)速率和更高的電源可用性。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對(duì)連接器尺寸。表 3 顯示了每個(gè)連接器可以達(dá)到的最大數(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(lèi)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.推薦的 USB 2.0 和 USB 3.2 接口保護(hù)組件

VBUS 線可以從交流電源線接收電源，它會(huì)受到在交流電源線上傳播的電流過(guò)載和電壓瞬變的影響。應(yīng)在VBUS線路上安裝自恢復(fù)保險(xiǎn)絲以防止過(guò)載，以便在過(guò)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，其電阻因過(guò)載電流產(chǎn)生的熱量而顯著增加。PPTC熔斷器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)在過(guò)載時(shí)會(huì)發(fā)生變化，從而導(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)絲設(shè)計(jì)用于最大額定電壓通常為 24 V 的低壓電路。

PPTC保險(xiǎn)絲的其他特點(diǎn)是：

• 超低電阻，范圍從 mΩ 到約 2 Ω，當(dāng)電流低于保險(xiǎn)絲的跳閘額定值時(shí)
• 100 mA 至 9 A 的寬額定電流范圍
• 快速旅行時(shí)間
• 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 批準(zhǔn)。

為了保護(hù)由 VBUS 線路供電的電路免受電源線感應(yīng)瞬變和靜電放電 (ESD) 沖擊，請(qǐng)使用單向瞬態(tài)電壓抑制器 (TVS) 二極管陣列。此類(lèi)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 ±30 kV ESD 沖擊，無(wú)論是通過(guò)空氣還是通過(guò)直接接觸
• 在 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

務(wù)必保護(hù)數(shù)據(jù)線免受可能破壞數(shù)據(jù)傳輸?shù)碾妷核沧兊挠绊??？紤]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 空氣或直接接觸沖擊
• 對(duì)數(shù)據(jù)線的影響最小，每個(gè)引腳對(duì)地的電容為 0.3 pF。
• 10 nA 的低漏電流可實(shí)現(xiàn)電路上的最小負(fù)載。

因此，只需要三個(gè)組件即可完全保護(hù) USB 2.0 端口。

圖 3.帶有用于瞬態(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 6 條數(shù)據(jù)和控制線。使用推薦的相同組件來(lái)保護(hù) VBUS 線路，如針對(duì) USB 2.0 接口討論的過(guò)流和過(guò)壓事件。為了保護(hù) 6 條數(shù)據(jù)線免受電壓瞬變的影響，可以考慮在每個(gè)端口上使用一個(gè)分立的 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
• 漏電流低，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 二極管可以為高速 USB 端口提供更大的保護(hù)，并具有更低的電容組件，從而將對(duì)數(shù)據(jù)傳輸容量的影響降至最低。

通過(guò)供電修訂保護(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，由于灰塵和污垢可以進(jìn)入連接器，Type-C 連接器很容易受到觸點(diǎn)之間電阻短路的影響。

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)的熱量的影響，如圖 4 所示。

圖 4.推薦的 USB 3.2 和 USB 4.0 Type-C 接口保護(hù)組件

配合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)，從最低水平如5W一直到最大能力的USB-C，100W。

為了防止瞬變，請(qǐng)考慮使用不同版本的 TVS 二極管陣列。為 SuperSpeed 線路選擇具有最低電容的 TVS 二極管陣列。通過(guò)選擇具有低漏電流的 TVS 二極管陣列來(lái)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(chē)行業(yè)，請(qǐng)選擇符合 AEC-Q101 標(biāo)準(zhǔn)的 TVS 二極管陣列（汽車(chē)電子委員會(huì)基于故障機(jī)制的分立半導(dǎo)體壓力測(cè)試認(rèn)證）。

保護(hù) HDMI、DisplayPort 和 eSATA 接口

高清晰度多媒體接口（HDMI）、DisplayPort和eSATA接口端口建議采用類(lèi)似的保護(hù)方案，因此將這三個(gè)接口一起考慮。HDMI 將來(lái)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(chēng)為事實(shí)上的高清電視標(biāo)準(zhǔn)。自 2004 年以來(lái)，HDMI 接口已被納入產(chǎn)品中?，F(xiàn)在是 2.1 版，可以以最大 48 Gbps 的速率傳輸數(shù)據(jù)。

DisplayPort 接口旨在將視頻數(shù)據(jù)從視頻源傳輸?shù)斤@示設(shè)備，例如 PC 顯示器。這種可以同時(shí)傳輸音頻和視頻的接口取代了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。該視頻電子標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)保持DisplayPort標(biāo)準(zhǔn)。

該串行高級(jí)技術(shù)附件（SATA）接口，最初由IBM為IBM PC AT并行格式開(kāi)發(fā)，定義了一個(gè)接口，也就是現(xiàn)在的磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)器的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)接口。外部 SATA (eSATA) 標(biāo)準(zhǔn)在 2004 年發(fā)展起來(lái)，為外部硬盤(pán)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）免受破壞性瞬變可能需要單一組件類(lèi)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. TVS 二極管陣列，用于抑制 4 條高速數(shù)據(jù)線上的電壓瞬變

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(guò)空氣或直接接觸傳輸提供高達(dá) ±20 kV 的 ESD 保護(hù)
• SOD 883 封裝可節(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)傳輸接口涉及選擇為電路提供保護(hù)而不影響傳輸信號(hào)的組件。幸運(yùn)的是，不需要很多組件。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(zhuān)業(yè)知識(shí)，以節(jié)省寶貴的開(kāi)發(fā)時(shí)間。制造商可以幫助提供具有成本效益的解決方案的建議。保護(hù)您的設(shè)計(jì)免受電流過(guò)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(chǎng)上的聲譽(yù)并降低保修期內(nèi)的服務(wù)成本。