USB3.0/3.1静电放电防护方案

方案简介

USB是一种通用的串行总线标准，定义了数据传输协议和电源供应规范，用于连接计算机与外部设备。USB接口的设计初衷是为了简化计算机与外部设备之间的连接，通过一个统一的接口标准来替代以往计算机上众多的串行和并行接口。

USB3.0的理论速度最高可达5Gbps，相比USB2.0极大地提升了数据传输的效率和速度，且保持了与USB2.0及更早版本的向后兼容性，用户可以在USB3.0接口上使用USB2.0的设备。其广泛应用于消费电子、计算机和外设等领域，如文件传输、摄像头、打印机、扫描仪等。由于高速系统的结构较小，且金属引脚外露，所以接口对ESD静电放电事件更为敏感。此USB3.0方案信号部分采用集成四通道保护、超低容值、低漏电的ESD静电二极管防护器件，在不影响数据传输的前提下满足IEC61000-4-2 Level 4静电放电防护需求。

USB3.1是USB3.0的升级版，提供了更高的数据传输速度和一系列新功能。它包含Gen1和Gen2两个版本，其中Gen1的速度与USB3.0相同（5Gbps），而Gen2则达到了10Gbps。USB3.1支持最高100W的电力输出，远超USB2.0和USB3.0的电力输出能力，满足更多高功率设备的充电需求。由于其高速传输速度和强大的电力供应能力，被广泛应用于需要高性能数据传输和充电的设备中，如高端电脑、游戏设备、虚拟现实设备等。提高数据速率的同时也显示了系统级ESD器件静电防护能力的重要性。此USB3.1方案高速信号部分采用单路双向超低容的ESD静电二极管防护器件，配合集成4路低容的ESD器件，提供灵活的布线选择，在不影响数据传输的前提下满足IEC61000-4-2 Level 4静电放电防护需求。

USB 3.0引脚配置

Pin	名称	功能描述	Pin	名称	功能描述
1	VBUS	电源+5V	2	D-	USB2.0数据线data-
3	D+	USB2.0数据线data+	4	GND	接地
5	SSRX-	超高速接收机差分对	6	SSRX+	超高速接收机差分对
7	GND_DRAIN	接地	8	SSTX-	超高速发送器差分对
9	SSTX+	超高速发送器差分对

USB 3.1引脚配置

Pin	名称	功能描述	Pin	名称	功能描述
A1	GND	接地	B1	GND	接地
A2	SSTXp1	超高速差分信号 #1，TX，正	B2	SSRXp1	超高速差分信号 #1，RX，正
A3	SSTXn1	超高速差分信号 #1，TX，负	B3	SSRXn1	超高速差分信号 #1，RX，负
A4	VBUS	总线电源	B4	VBUS	总线电源
A5	CC1	Configuration Channel	B5	SBU2	Sideband Use (SBU)
A6	Dp1	USB2.0差分信号Position1，正	B6	Dn2	USB2.0差分信号position2，负
A7	Dn1	USB2.0差分信号Position1，负	B7	Dp2	USB2.0差分信号position2，正
A8	SBU1	Sideband Use (SBU)	B8	CC2	Configuration channel
A9	VBUS	总线电源	B9	VBUS	总线电源
A10	SSRXn2	超高速差分信号 #2，RX，负	B10	SSTXn2	超高速差分信号 #2，TX，负
A11	SSRXp2	超高速差分信号 #2，RX，正	B11	SSTXp2	超高速差分信号 #2，TX，正
A12	GND	接地	B12	GND	接地

应用示例

根据USB 3.0要兼容USB 2.0的特性，USB 3.0的静电防护分为两部分：Vbus和兼容USB 2.0的一对差分线（D+和 D-）共用一片四引脚ESD防护器件SELC143T5V2UC进行防护，该器件的工作电压为5V，结电容仅为1.0pF,符合IEC 61000-4-2 (ESD)规范，在 ±15kV（空气）和 ±15kV（接触）下提供瞬变保护；新增的两对差分线SSTX+/-和SSRX+/-共用一片六引脚ESD防护器件SEUC10F5V4UB进行防护，该器件的工作电压为5V，结电容仅为0.4pF,符合IEC 61000-4-2 (ESD)规范，在 ±25kV（空气）和 ±20kV（接触）下提供瞬变保护。

总线电源VBUS

电源线，用于供电。考虑到使用USB-PD满足充电，推荐采用TDS平缓钳位器件ESTVS2200DRVR做静电浪涌防护, DFN封装，峰值电流27A,符合IEC 61000-4-2 (ESD)规范，在 ±30kV（空气）和 ±30kV（接触）下提供瞬变保护。

该TDS器件可用于PD接口防护，一旦瞬态电压攀升至超过集成精密触发器所设定的击穿电压（VBR）阈值，触发器即会立即启动，激活与之相连的驱动电路。这一动作迅速使浪涌级FET由截止转变为导通状态，进而将可能损害电路的巨大瞬态能量（IPP）引导并安全地释放至地。

SuperSpeed TX+ ,TX- ,RX+, RX-差分线

高速差分信号线，支持10Gbps的高速USB接口和交替模式的数据传输。由于接口试图在传输大量内容时仍保持极高速度，因此选择合适的ESD防护器件至关重要。推荐用低结电容0.2PF，小体积CSP0603-2L方便布线,深回扫，低钳位电压SEUCS2Z3V1B做静电保护，符合IEC 61000-4-2 (ESD)规范，在 ±15kV（空气）和 ±15kV（接触）下提供瞬变保护，确保信号完整性。

D+/D-差分线, Configuration Channel&Sideband use (SBU)

用于兼容USB 2.0接口的D+/-引脚和通信通道CC2、辅助通道SBU2共用一片六引脚ESD防护器件SEUC10F5V4U或SEUC10F5V4UB进行防护。SEUC10F5V4U器件的工作电压为5V，结电容仅为0.6pF,符合IEC 61000-4-2 (ESD)规范，在 ±17kV（空气）和 ±12kV（接触）下提供瞬变保护；SEUC10F5V4UB器件的工作电压为5V，结电容仅为0.4pF,符合IEC 61000-4-2 (ESD)规范，在 ±25kV（空气）和 ±20kV（接触）下提供瞬变保护。客户可根据实际的信号速率进行选择。

型号参数

规格型号	方向	工作电压(V)	IPP(A)	钳位电压(V)	结电容(pF)	封装
SELC143T5V2UC	Uni.	5	7	15	1.0	SOT-143
SEUC10F5V4U	Uni.	5	4.5	12	0.6	DFN2510-10L
SEUC10F5V4UB	Uni.	5	3	12	0.4	DFN2510-10L
SEUCS2Z3V1B	Bi.	3.3	9	5	0.2	CSP0603-2L
ESTVS2200DRVR	Uni.	22	27	30.8	150	DFN

电气特性表

At TA = 25℃ unless otherwise noted

Parameter	Symbol	Conditions	Min.	Typ.	Max.	Units
Reverse Stand-off Voltage	VRWM				5	V
Reverse Breakdown Voltage	VBR	IT=1mA	6		9	V
Reverse Leakage Current	IR	VRWM=5V			1	uA
Clamping Voltage	VC	IPP=1A; tp=8/20us		10	13	V
Clamping Voltage	VC	IPP=7A; tp=8/20us		15	20	V
Junction Capacitance	CJ	VR=0V; f=1MHz I/O pin to I/O pin		0.5	0.8	pF
Junction Capacitance	CJ	VR=0V; f=1MHz I/O pin to GND		1.0	1.6	pF

表1 SELC143T5V2UC电气特性表

Parameters	Symbol	conditions	Min.	Typ.	Max.	Unit
Reverse stand-off voltage	VRWM				5.0	V
Reverse Breakdown Voltage	VBR	IT= 1mA	6.0			V
Reverse Leakage Current	IR	VRWM=5V			1.0	uA
Peak Pulse Current	IPP	TP=8/20us@25℃			4.5	A
Clamping Voltage	VCL	IPP=1A; TP=8/20us		9.0	11.0	V
Clamping Voltage	VCL	IPP=4.5A; TP=8/20us		12.0	15.0	V
Junction capacitance	CJ	I/O pins to ground; VR=0V; f = 1MHz		0.6		pF
		Between I/O pins;
		VR=0V; f = 1MHz		0.3

表2 SEUC10F5V4U电气特性表

Parameters	Symbol	conditions	Min.	Typ.	Max.	Unit
Reverse stand-off voltage	VRWM				5.0	V
Reverse Breakdown Voltage	VBR	IT= 1mA	6.0	7.5	8.5	V
Reverse Leakage Current	IR	VRWM=5V			1.0	uA
Clamping Voltage	VCL	IPP=1A; TP=8/20us		9.0	11.0	V
Clamping Voltage	VCL	IPP=3A; TP=8/20us		12.0	15.0
Junction capacitance	CJ	I/O pins to ground; VR=0V; f = 1MHz		0.4	0.5	pF
		Between I/O pins; VR=0V; f = 1MHz		0.2	0.25

表3 SEUC10F5V4UB电气特性表

Parameter	Symbol	Conditions	Min.	Typ.	Max.	Units
Reverse Stand-off Voltage	VRWM				3.3	V
Reverse Breakdown Voltage	VBR	IT=1mA	6.0	8.8	10.0	V
Reverse Leakage Current	IR	VRWM=3.3		1	100	nA
Clamping Voltage	VC	IPP=1A; tp=8/20us		1		V
Clamping Voltage	VC	IPP=9A; tp=8/20us		5		V
Clamping Voltage	VC	Ipp=16A，tlp=100ns		6		V
Junction Capacitance	CJ	VR=0V; f=1MHz		0.2	0.25	pF

表4 SEUCS2Z3V1B电气特性表

Parameter	Symbol	Conditions	Min.	Typ.	Max.	Units
反向工作电压	VRWM			22		V
反向击穿电压	VBR	IT=1mA		27.5		V
反向漏电	IR	VRWM=22V		1		nA
正向电压	VF	IT=1mA		0.55		V
钳位电压	VCL	IPP=9A; tp=8/20us		28.4		V
	VCL	IPP=27A; tp=8/20us		30.8		V
导通电阻	RDYN*	tp=8/20us		96		mΩ
结电容	CJ	VR=22V; f=1MHz		150		pF

表5 ESTVS2200DRVR电气特性表

总结与结论

随着移动设备和存储设备的普及，高速的数据传输变得越来越重要。USB 3.0/3.1不仅应用于传统的计算机外设，还广泛应用于智能手机、平板电脑、SSD固态硬盘、相机等设备的数据传输和充电。因此防止灾难性静电放电（ESD）事件对USB 3.0/3.1端口的侵害，成为了不可忽视的课题。

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审核编辑 黄宇