基于USB接口的保護(hù)設(shè)計(jì)方案解析

USB端口對(duì)PC外設(shè)的發(fā)展起到了革命性的推動(dòng)作用，并且正變得越來越流行，比如：在采集測(cè)量數(shù)據(jù)或在機(jī)器上，安裝軟件更新等應(yīng)用中就非常常見。作為用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊环N總線系統(tǒng)，只要有移動(dòng)設(shè)備連著的地方就有它的身影。雖然在日常生活中使用的連接器看起來非常結(jié)實(shí)，但 USB 應(yīng)用開發(fā)人員仍然必須重視這些接口的保護(hù)。

在Intel公司的“高速USB平臺(tái)設(shè)計(jì)指南”中，甚至提高了考慮 USB 端口易感性因素的重要性。Intel 建議用電流補(bǔ)償型扼流圈抑制EMI，再用其它元件防止靜電放電（ESD）。電子設(shè)備經(jīng)常會(huì)遭受靜電放電。靜電放電脈沖電壓可能高達(dá) 30kV，因此對(duì)所有類型的集成電路來說都是非常危險(xiǎn)的。目前有些 IC 對(duì)靜電放電來說是“安全的”，但這種安全性只是對(duì)一小部分潛在威脅來說是有保證的。日常操作表明：額外保護(hù)是必不可少的。只有采取外部保護(hù)措施才能開發(fā)出整塊電路板不受靜電放電影響以及高度可靠的產(chǎn)品來。專門的抑制措施同樣也是必需的。無線聯(lián)網(wǎng)的電子設(shè)備如今是遍地開花，它們的數(shù)量正在與日俱增。

實(shí)際的抗干擾能力

在提到干擾對(duì) USB 的影響時(shí)，差分模式數(shù)據(jù)傳輸與簡(jiǎn)單的同軸電纜相比具有很大的優(yōu)勢(shì)。在感性干擾效應(yīng)（磁場(chǎng)）情況下，導(dǎo)線的絞合可以彌補(bǔ)干擾效應(yīng)。鑒于每根雙絞線的部分電感的對(duì)稱性，干擾會(huì)彼此影響補(bǔ)償效果。這種抗干擾效果在實(shí)際應(yīng)用中會(huì)大打折扣。USB 控制器的輸入 / 輸出不是完全對(duì)稱的，因此 USB 信號(hào)顯示出共模干擾。Layout 與 HF/EMC不兼容，寄生電容和缺少波阻匹配會(huì)產(chǎn)生共模干擾。電路設(shè)計(jì)（USB 濾波器）不充分，濾波器影響信號(hào)質(zhì)量，和 / 或插損太低。接口設(shè)計(jì)（插座，外殼）不充分。不良的接地會(huì)減小電纜的屏蔽衰耗。濾波器具有不良的接地參考。USB 電纜不對(duì)稱、屏蔽不良以及沒有足夠好的接地。這種電纜會(huì)劣化信號(hào)質(zhì)量，輻射信號(hào)諧波，對(duì)外部干擾源起不到足夠的屏蔽衰減。

對(duì)于一個(gè)端到端的 EMC 兼容設(shè)計(jì)而言，對(duì)電源（VBUS）進(jìn)行濾波也很重要。許多開發(fā)人員忽視了這一點(diǎn)，卻不知道他們的產(chǎn)品為何通不過 EMC 實(shí)驗(yàn)室的測(cè)試。這里介紹了針對(duì)一個(gè)或兩個(gè) USB 端口的兩種優(yōu)化設(shè)計(jì)。兩條 USB 線可以用 TVS 二極管加以保護(hù)。所有 4 條信號(hào)線以及公共電源都得到了很好的靜電放電保護(hù)。進(jìn)一步的優(yōu)化可以通過用一個(gè)電流補(bǔ)償式數(shù)據(jù)線扼流圈和電容，搭建一個(gè) LC 濾波器濾除輸入端的共模和差模干擾來實(shí)現(xiàn)。在電源端使用 WE-CBF 系列貼片磁珠可以實(shí)現(xiàn)卓越的抑制性能（圖 1）。

圖 1：具有靜電放電保護(hù)功能的雙端口USB端口

單通道保護(hù)元件（如 WE-VE 系列靜電放電抑制器）必須始終連接在信號(hào)線與地之間。不必使用小電容的靜電放電抑制器來保護(hù)電源，普通的 SMD 變阻器就足夠了。它可以吸收較高的能量和較高的電流，因此是設(shè)計(jì)的第一選擇（圖 2）。

圖 2：與屏蔽數(shù)據(jù)線不同，電源端不必使用小電容的靜電放電抑制器

針對(duì) USB 端口的推薦 Layout

從圖 3 可以明顯看出，有兩條差分信號(hào)線（D+和 D-）從插頭連接器連接到 TVS 二極管，再通過電流補(bǔ)償式數(shù)據(jù)線扼流圈連接到 USB 控制器。這樣能夠得到出色的靜電放電保護(hù)功能，并能良好的抑制數(shù)據(jù)線對(duì)。VBUS 通過 TVS 二極管路由到貼片磁珠。在貼片磁珠之后，可以插入額外的電容和另一個(gè)貼片磁珠來實(shí)現(xiàn)最大可能的 PI 濾波器衰減。

圖 3：USB 端口保護(hù)

在非常敏感的 IC 和 / 或高可靠性開發(fā)案例中，通過兩次連接 TVS 二極管引腳可以實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的靜電放電保護(hù)效果（圖 4）。

圖 4：USB 端口的雙重保護(hù)

希望采用單通道保護(hù)元件的開發(fā)人員可以使用 WE-VE 系列靜電放電抑制器。這些抑制器總是必須從 D+/D- 連接到地。還要連接其它一些元件，如圖 5 所示。

圖 5：采用單通道元件的保護(hù)機(jī)制

保護(hù)元件的選擇

靜電放電（ESD）保護(hù)的定義為：依照 EN 61000-4-2 標(biāo)準(zhǔn)防止 ESD 脈沖，依照 EN 61000-4-5 防止浪涌脈沖，以及依照 EN 61000-4-4 防止突發(fā)（EFT）脈沖。瞬態(tài)電壓抑制器（TVS）二極管必須滿足這些功能。重要的是：為了保護(hù)諸如 USB 等快速數(shù)據(jù)線受到過壓的破壞，應(yīng)該使用具有低電容特性的 TVS 和陶瓷 ESD 抑制器，以免 USB 信號(hào)發(fā)生失真?；谶@個(gè)原因，Würth Elektronik eiSos 公司開發(fā)出了專門在這方面作了優(yōu)化的元件，并且在數(shù)據(jù)線上是不可見的。TVS 二極管的電容值不到 1pF，電容值最高 0.2pF 的陶瓷 ESD 抑制器是保護(hù) USB 端口的理想選擇。

在 EMC 兼容設(shè)計(jì)中應(yīng)避免風(fēng)險(xiǎn)。必須要指出的是，干擾會(huì)威脅到數(shù)據(jù)通信的完整性——特別是對(duì)于通過 USB 實(shí)現(xiàn)的數(shù)據(jù)傳輸而言。EMC 不是 “可有可無”，或用來滿足什么法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)，而是一種質(zhì)量指標(biāo)。為了盡可能在設(shè)計(jì)早期就徹底排除 EMC 問題，業(yè)界推出了專門針對(duì)快速數(shù)據(jù)線特殊狀態(tài)剪裁的元器件，它們不僅可以減少開發(fā)工作量，而且最重要的是可以避免關(guān)鍵的 EMC 測(cè)試結(jié)果之后的返工。
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