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USB接口的ESD防护方案

CHANBAEK 来源:硬件系统架构师 作者:Timothy 2023-11-22 10:54 次阅读

引言:采用USB协议的接口多种多样,包括USB A、Micro USB、TYPE C、雷雳等等,无论外在接口形态如何变化,协议一致的情况下,其ESD防护方案也是相同的。

1. USB2.0/USB OTG

USB 2.0是电子系统中的主流接口,也是微控制器中最常见的接口之一,USB 2.0标准的最大信令速率为480Mbit/s,有效吞吐量高达35MByte/s或280Mbit/s。USB2.0的信号线标称电压摆幅为400mV至-400mV,而信号的最大电压为±475mV,作为在无转换发生时的情况,转换时的电压限制为±525mV,为过冲和欠冲留出了一些空间。

图6-1显示了基本的保护设置,USB 2.0连接器有四个引脚:VBUS用于电源,D+和D-用于差分数据信号,以及一个接地引脚。VBUS引脚将导通一个5V直流电源,因此这条线上的电容无关紧要,D+和D-数据线将传递480Mbps差分信号。

图片

图6-1:USB 2.0的ESDF防护

VBUS线路需要至少具有5V工作电压的ESD保护,以确保在正常操作中不会发生击穿,D+和D-数据线路需要低电容ESD保护,可支持480Mbps信号,单通道和双通道设备是简化布线的好解决方案。对于USB2.0,推荐表6-1:

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表6-1:USB2.0的ESD/TVS diode选型参数参考

2. 高数据速率:USB 3.1/3.2

USB 3.1标准的信号传输速度高达10Gbit/s,全双工通信,超高速与可控阻抗路由相结合,需要在不显著影响整体信号完整性的情况下实现良好的ESD保护。图6-2显示了基本的保护设置,对于USB 3.1,需要出色的箝位性能,加上超低且匹配良好的电容。

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图6-2:USB3.1的ESD防护结构

USB 3.1/2结合了TX/RX差分线路,以达到10Gbps的速度,对于这些速度,ESD保护的电容必须最小化,以保持信号完整性。

用于USB 3.2 Gen 2的TX/RX线路的ESD解决方案应具有0.3pF或更低的电容,以实现信号完整性,且工作电压大于3.6V。一种解决方案是用于数据线(TX、RX)的超低电容的4通道ESD设备,结合用于D+/D的低电容的2通道ESD设备和用于VBUS线路的单通道ESD设备。对于USB3.0~,推荐表6-2:

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表6-2:USB3.0~的ESD/TVS diode选型参数参考

*3.TYPE C

USB类型CTM有一个24针连接器,可支持USB 3.1 Gen2、DisplayPort、HDMI和多种其他可选模式,有16个引脚需要ESD保护。由于USB 3.1 Gen3的Super Speed USB线(TX1+、TX1-、RX1+、RX1-、TX2+、TX2-、RX2+和RX2-)的速度可达10Gbps,电容必须最小化,USB2.0线(D+顶部、D+底部、D–顶部和D–底部)也需要低电容。CC1、CC2和SBU1、SBU2 C型引脚可以达到5.5V,虽然不需要低电容,但建议用于使用备用模式的应用。

图片

***图6-3:TYPE C的ESD防护结构

USB Type-C连接器引脚尺寸较小,板空间非常有限,因此对于C型USB中的所有高速数据线,建议使用具有超低电容的节省空间的2通道ESD设备。对于SBU和CC线路,建议使用5V ESD设备,以简化到PD或CC控制器的布线,如果首选,也可以使用4通道,如图6-3所示。

*4.高数据速率:eSATA

eSATA标准是SATA的一种变体,用于外部连接,如图6-4所示,建议eSATA采用ESD保护,一般USB3.0的ESD保护可以覆盖到eSATA。

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图6-4:eSATA的ESD防护结构

对于USB3.0,推荐 表6-3:

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表6-3:eSATA的ESD/TVS diode选型参数参考

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