USB 4.0靜電保護方案

方案簡介

USB是一種通用的串行總線標(biāo)準，定義了數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議和電源供應(yīng)規(guī)范，用于連接計算機與外部設(shè)備。USB接口的設(shè)計初衷是為了簡化計算機與外部設(shè)備之間的連接，通過一個統(tǒng)一的接口標(biāo)準來替代以往計算機上眾多的串行和并行接口。最新一代USB 4.0版本1.0于 2019年發(fā)布，支持高達 40 Gbps的連接,最大功率可達100W，同時提供與 Thunderbolt 3和 4的交叉兼容性。USB 4版本 2.0將性能進一步提升， 將最大速度翻倍至 80 Gbps，輸出功率最大可以達到240W。USB4.0物理層形態(tài)只有Type-C一種，新型Type C接口允許正反盲插，并向后兼容 USB 3.2和 USB 2.0。

USB 4.0接口和傳統(tǒng)USB一樣，都為外露設(shè)計，使用者可以很方便地即插即用、隨拔即關(guān)。然而，這種頻繁的熱插入動作卻潛藏著風(fēng)險，它極易引發(fā)靜電放電（ESD）等瞬時噪聲問題。當(dāng)帶電的USB 4.0接口與系統(tǒng)接觸時，電荷的瞬間轉(zhuǎn)移會產(chǎn)生強大的靜電沖擊，可能導(dǎo)致系統(tǒng)工作異常，影響設(shè)備的正常功能，更嚴重的是，它還可能直接損壞USB Type-C控制組件，給用戶帶來不必要的損失和困擾。此方案采用超小體積、超低結(jié)電容、超低鉗位電壓的Snap Back（深回掃）ESD靜電防護器件，專為USB 3.X和USB 4.0接口的TX（發(fā)送）和RX（接收）線路提供靜電保護，并采用TDS平緩鉗位器件對總線電源線做靜電浪涌防護，以及常規(guī)型ESD保護D+/D-差分線和靠近VBUS的通信通道，確保信號的完整性和設(shè)備的安全性。

USB 4.0的引腳配置

USB 4.0靜電防護要求

在選擇ESD（靜電放電）保護組件以適配USB 4.0高速接口時，需著重考慮以下幾個關(guān)鍵因素以確保高速信號的完整性和設(shè)備的安全性：

低電容特性：低電容有助于減少信號衰減和失真，從而確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐暾院头€(wěn)定性。

高ESD耐電壓能力：考慮到靜電放電可能帶來的潛在損害，ESD保護組件必須能夠承受較高的ESD電壓沖擊。

低鉗位電壓：較低的鉗位電壓表示在ESD事件發(fā)生時，保護器件能夠更有效地將電壓限制在安全范圍內(nèi)，避免對后端電路造成損害。

回掃型ESD提供靜電防護

回掃特性ESD防護器件具有超小封裝體積、超低鉗位電壓、超低結(jié)電容特性，相比常規(guī)工藝 TVS防護效果更優(yōu)，且不影響信號完整性，可更有效保護USB端口免受瞬態(tài)過電壓的影響，為相關(guān)電子產(chǎn)品設(shè)備加固防護，提升消費者使用體驗。

常規(guī)型ESD的電壓會隨著IPP（峰值脈沖電流）的增加而等比例增加，呈現(xiàn)出一個較為線性的增長趨勢。而回掃型ESD器件在當(dāng)電壓達到VT1（觸發(fā)電壓）后會瞬間將兩端的鉗位電壓拉低，進入一個介于工作電壓VRWM和VT1之間的較低電壓Vh。隨后，隨著電流的增加，電壓逐漸增大，但增長速度相比常規(guī)ESD較慢。其相較于常規(guī)ESD器件的優(yōu)點有：

更低的鉗位電壓：在相同的IPP下，帶回掃ESD的VC（鉗位電壓）比常規(guī)ESD器件低50%以上。這種低鉗位電壓有助于提前釋放能量，更有效地保護集成電路（IC）及整個電路的安全；

更低的漏電流：這類ESD器件具有更低的漏電流，有助于降低設(shè)備的功耗，實現(xiàn)更節(jié)能的設(shè)計；

更廣泛的應(yīng)用范圍：帶回掃ESD的優(yōu)異性能使其適用于更廣泛的領(lǐng)域，如低壓移動電子設(shè)備、汽車電子、工業(yè)控制等對ESD保護要求較高的場合。

通過對比常規(guī)ESD和帶回掃ESD的特性曲線圖及其優(yōu)點，可以看出帶回掃ESD在ESD保護方面具有更出色的性能和應(yīng)用前景。

應(yīng)用示例

SuperSpeed TX+ ,TX- ,RX+, RX-差分線

高速差分信號線，支持高達40Gbps的超高速USB接口和交替模式的數(shù)據(jù)傳輸。由于接口試圖在傳輸大量內(nèi)容時仍保持極高速度，因此選擇合適的ESD防護器件至關(guān)重要。推薦用低結(jié)電容0.2PF，小體積CSP0603-2L方便布線,深回掃，低鉗位電壓SEUCS2Z3V1B做靜電保護，符合IEC 61000-4-2 (ESD)規(guī)范，在 ±15kV（空氣）和 ±15kV（接觸）下提供瞬變保護，確保信號完整性。

D+/D-差分線

用于兼容USB 2.0接口，D+和D-引腳數(shù)據(jù)速率480Mbps，這對差分線上的電壓正常為3.3V，考慮線速推薦采用SELC2X5V1BT，低結(jié)電容0.3PF ,小體積DFN0603-2L方便布線,符合IEC 61000-4-2 (ESD)規(guī)范，在 ±25（空氣）和 ±22kV（接觸）下提供瞬變保護，

總線電源VBUS

電源線，用于供電?？紤]使用USB-PD滿足充電，推薦采用TDS平緩鉗位器件ESTVS2200DRVR做靜電浪涌防護, DFN封裝，峰值電流27A,符合IEC 61000-4-2 (ESD)規(guī)范，在 ±30kV（空氣）和 ±30kV（接觸）下提供瞬變保護。

該TDS器件可用于PD接口防護，一旦瞬態(tài)電壓攀升至超過集成精密觸發(fā)器所設(shè)定的擊穿電壓（VBR）閾值，觸發(fā)器即會立即啟動，激活與之相連的驅(qū)動電路。這一動作迅速使浪涌級FET由截止轉(zhuǎn)變?yōu)閷?dǎo)通狀態(tài)，進而將可能損害電路的巨大瞬態(tài)能量（IPP）引導(dǎo)并安全地釋放至地。

Configuration Channel&Sideband use (SBU)

CC1、CC2：通信通道，用于識別連接設(shè)備和確定功率方向。SBU1、SBU2：輔助通道，可用于支持高速數(shù)據(jù)或其他功能。CC/SBU引腳緊挨著 VBUS引腳。使用USB-PD的話，VBUS引腳電壓可以達到20V，這樣CC/SBU引腳容易短路到20V, 為了避免損壞，這兩個引腳推薦24V ESD SELC3D24V1BA進行保護。

型號參數(shù)

電氣特性表

At TA = 25℃ unless otherwise noted

表1 SEUCS2Z3V1B電氣特性表

表2 SEHC16F24V1UD電氣特性表

表3 ESTVS2200DRVR電氣特性表

總結(jié)與結(jié)論

由于USB 4.0接口在數(shù)據(jù)傳輸中的重要作用，保護USB 4.0接口免受ESD靜電損害極為關(guān)鍵。ELECSUPER SEMI深淺回掃型單雙向系列ESD器件工作電壓涵蓋2.5~36V，電流涵蓋4~30A，0.1pF極低電容，封裝涵蓋CSP、FC及各類封裝形式，可按照客戶需求性能與封裝提供定制化開發(fā)服務(wù)。同時ELECSUPER SEMI推出首款22V/40VTDS平緩鉗位器件可用于業(yè)內(nèi)USB 3.0接口、PD接口、工業(yè)機器人、IO-Link接口、工業(yè)傳感器和IIoT設(shè)備、可編程邏輯控制器(PLC)和以太網(wǎng)供電(PoE)的電源端口防護,其擁有更強的防浪涌能力、更低的鉗位電壓可為電子器件提供更好的防護。

審核編輯 黃宇