湖南静芯推出USB 3.1的ESD EOS防护完整解决方案-电子发烧友网

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。USB 3.1是 USB 3.0的升级版本，理论速度最高可达10Gbps，完全向下兼容现有的USB连接器与线缆。它包含Gen1和Gen2两个版本，其中Gen1最高速度为5Gbps（实际与USB 3.0相同），Gen2则达到10Gbps。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USB 3.1高速系统的结构较小，且金属引脚外露，最普遍的应用就是随插即用、随拔即关，然而这个热插拔动作却也经常是造成电子系统工作异常、甚至造成后续电路毁坏的元凶，所以在端口设计时常常考虑使用器件对接口进行静电保护，以确保能稳定可靠地工作。普通的防护方案或许会对数据的传输造成一定影响，随着消费类电子产品需求的持续增长，对ESD保护器件性能加强的需求也越来越强烈。静芯微系列产品可以充分满足客户的设计要求。

USB 3.1接口介绍

Type-A、Type-B、Type-C是USB 3.1标准下的三种接口类型。实际使用中，Type-A是最常见的USB接口，广泛应用于电脑、主机、充电器等设备；Type-B接口通常用于连接大型外设，如打印机、扫描仪等，在USB 3.1中的应用相对较少。

在USB 3.1标准中，Type-C作为一种接口被正式提出并进入标准化阶段。Type-C具有正反可插、小巧便携、支持更高功率传输等优点。在USB 3.1中，Type-C接口得到了广泛应用，并成为了未来USB接口的主流方向。

图1 Type-A、Type-B接口引脚

表1 Type-A、Type-B接口引脚功能描述

图2 Type-C接口引脚

表2 Type-C接口引脚功能描述

USB 3.1接口应用方案

1.Type-A和Type-B接口

图3 USB 3.0 Type-A/Type-B应用方案

USB 3.1的静电防护主要分为两部分。

VBUS引脚和兼容USB 2.0的一对差分线（D+ 和 D-）共用一片四引脚回扫型ESD防护器件SELC143T5V2UA进行防护。SELC143T5V2UA是湖南静芯研发的一款低电容双通道单向带VCC保护的ESD静电保护器件，可适用于USB 2.0、USB 3.0、IO接口和音视频转换接口等接口的信号线防护。

两对高速差分线SSTX+/-和SSRX+/-采用深回扫型ESD防护器件SEUCS2X3V1BB进行防护， SEUCS2X3V1BB是湖南静芯研发的一款超低电容ESD静电保护器件，专门设计用于保护高速数据接口免受过应力事件的影响，可适用于USB接口的高速差分信号线防护。

SEUCS2X3V1BB的工作电压为3.3V，钳位电压为6.4V，具有 0.28pF的极低电容，可确保信号完整性。根据IEC 61000-4-2 (ESD)规范， SEUCS2X3V1BB可用于提供高达±30kV(接触放电)，±30kV(空气放电)的ESD保护，并根据IEC61000-4-5标准承受高达14A(8/20μs)的峰值脉冲电流。

该器件的相关曲线图及参数如表4所示。


击穿电压曲线	漏电流曲线

结电容曲线	IV曲线

表4 SEUCS2X3V1BB相关曲线图

2.Type-C接口

图5 USB 3.0 Type-C应用方案

①高速差分线TX+ ,TX- ,RX+, RX-

在 USB 3.1标准中，发射器 (TX)和接收器 (RX)线支持高达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，但数据线需要经常插拔，在插拔的过程中有可能因为消费者的触摸或金属引脚短接引发静电放电（ESD）等问题，因此选择合适的 ESD防护器件至关重要。

湖南静芯旗下SEUCS2X3V1B拥有卓越的ESD保护特性，专为保护超高速USB差分线路而设计，同时保持 0.14pF的极低线间典型电容，确保信号完整性。SEUCS2X3V1B可对单路高速数据线进行静电防护，工作电压为 3.3 V，钳位电压为仅为5.5V，封装为DFN0603-2L，符合IEC 61000-4-2 (ESD)规范，在 ±15kV（空气）和 ±15kV（接触）下提供瞬变保护。

②总线电源VBUS

USB 3.1在使用PD协议的情况下功率高达100W，则VBUS上的最大电压可以达到20V，最大电流为5A。VBUS引脚的安全性就需要使用工作电压高于 20V的防护器件来保护 VBUS引脚。

我们选用的是湖南静芯研发的一款工作电压为22V的瞬态转向抑制器(TDS)，型号为ESTVS2200DRVR。TDS设计用于提供高能量 EOS保护，不使用传统的 PN结 TVS二极管进行保护，而是使用额定浪涌 FET作为压控开关进行保护。当检测到 EOS事件时，即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，触发电路立即启动，开启泄流场效应管，有效地将瞬态电流安全释放到地。TD器件与标准TVS器件相比具有更优越的钳位和温度特性，能有效保护包含 PD功能的 USB Type-C接口。

ESTVS2200DRVR器件为DFN封装，工作电压为22V，可在 ESD和浪涌事件期间保护 USB-PD控制器。它具有27V的最小击穿电压和70A的峰值脉冲电流,且符合IEC 61000-4-2 (ESD)规范，在 ±30kV（空气）和 ±30kV（接触）下提供瞬变保护。

③D+/D-差分线

D+/D-两个引脚是用于兼容USB 2.0接口，D+和D-引脚承载速率为480Mbps的差分数据信号，这对差分线上的电压在正常工作条件下可以达到 5V。推荐采用湖南静芯的一款低电容ESD保护器件SELC2X5V1BT，该器件的工作电压为5V，钳位电压为22V，结电容仅为0.3pF，封装为DFN0603-2L，符合IEC 61000-4-2 (ESD)规范，在 ±25kV（空气）和 ±22kV（接触）下提供瞬变保护。

④CC、SBU和VCONN引脚

CC1、CC2作为Type-C的识别通道，可用于识别连接设备和确定功率方向，建立和管理两个连接端口之间的源和接收器连接。CC引脚在插座中设有两个，插头中设有一个，可用于辨识插头朝向并促进 USB4数据总线通信的建立。当其中一个 CC引脚未被使用时，它会转变为 VCONN引脚，服务于 USB Type-C电子标记电缆（EMC）。VCONN是一个5V1W的电源，用于为带有电子标记的 Type-C电缆内的集成电路 (IC)供电。若电缆不具备电子标记功能，意味着内部没有电子设备，因此无需VCONN引脚供电，此时该引脚在 USB Type-C插头上会处于未连接状态。

SBU1、SBU2是 DisplayPort和其他数据信号在 Alt模式下工作的辅助通道，可用于支持高速数据或支持其他附加功能，在不同的应用场景具有不同的用途。例如在ALT MODE模式下进行DP信号传输时，作为音频传输通道；在进入Type-C模拟音频耳机附件模式，则作为麦克风信号传输通道。

在使用USB-PD的情况下，VBUS引脚电压可以达到20V，由于CC/SBU引脚紧挨着 VBUS引脚，如果发生短路，CC/SBU引脚将暴露在20V下,可能会对系统造成损害，为了避免此现象的发生，我们需要在CC/SBU引脚附近设置工作电压大于20V的静电保护元件。

湖南静芯研发的双向ESD静电保护器件SEUCS2X24V1B是保护 CC/SBU引脚的完美解决方案。SEUCS2X24V1B采用超小型DFN0603-2L封装，工作电压为24V，钳位电压为5.6V，结电容仅为0.12pF，符合IEC 61000-4-2 (ESD)规范，在 ±15kV（空气）和 ±15kV（接触）下提供瞬变保护。