如何保護高速接口

本文為電子設計工程師提供了在不影響傳輸/接收性能或干擾產(chǎn)品尺寸限制的情況下保護高速接口的建議。

考慮了四種通信協(xié)議：

通用串行總線 （USB） 標準繼續(xù)以更高的速度格式發(fā)展，

高清多媒體接口 （HDMI），

DisplayPort 接口，

和外部串行高級技術附件 （eSATA）。

表 1 中描述了這些標準的目的及其當前的最大帶寬。

表 1.通信協(xié)議、功能和最大數(shù)據(jù)速率

USB接口

USB 端口在個人計算機、計算機外圍設備、電子測試和測量儀器以及眾多其他產(chǎn)品中無處不在。USB 接口允許在計算機、智能設備和外圍設備之間輕松快速地連接。它于 1996 年首次標準化，并一直在以更高的速度發(fā)展，并允許為電池供電的設備充電提供更多的電力承載能力。

USB 實施者論壇 （USB-IF）通過四次重大修訂升級了該標準。有線 USB 標準從 1.0 版開始，一直到 2.0 版、3.x 版，目前到第 4 版、USB4。

表 2 列出了從 2.0 到 USB4 的版本，并顯示了每個版本的最大吞吐量如何大幅增加。

表 2. USB 接口的當前活動版本及其最大數(shù)據(jù)傳輸速率

不同的數(shù)據(jù)速率允許 USB 端口與從慢速鍵盤到高速視頻設備的各種設備連接。設計人員可以利用通用接口，其中信號線不專用于一種設備的特定功能。此外，設計人員可以將 USB 接口設置為對時間要求嚴格的功能具有低延遲，或在后臺進行大量數(shù)據(jù)傳輸。

此外，該標準還定義了 USB 版本 1 至 3 的供電 （PD） 版本。PD 版本允許通過 USB 接口對設備進行充電和供電。功率容量從 2.5 W （5 V @0.5A） 增加到 100 W （20 V @ 5A）。

USB 連接器也得到了發(fā)展，以實現(xiàn)更高的數(shù)據(jù)速率和更大的電源可用性。圖 1 顯示了用于每個 USB 版本的各種連接器的引腳配置和相關連接器尺寸。表 3 顯示了每個連接器可以實現(xiàn)的最大數(shù)據(jù)速率。

圖 1.為各種 USB 標準設計的 USB 連接器

表 3. USB 連接器類型的最大數(shù)據(jù)速率

保護 USB 2.0 接口

USB 2.0 接口由一條 VBUS 電源線和兩條數(shù)據(jù)線組成，如圖 2a 所示。

圖 2. USB 2.0 和 USB 3.2 接口的推薦保護組件

VBUS 線可以從交流電源線接收其功率，但會受到電流過載和交流電源線上傳播的電壓瞬變的影響。應在 VBUS 線路上安裝自恢復保險絲以防止過載，以便當過載解決后，自恢復保險絲將復位，電路可以繼續(xù)工作。

聚合物正溫度系數(shù) （PPTC） 保險絲是一種自恢復保險絲，其電阻會因過載電流產(chǎn)生的熱量而顯著增加。PPTC保險絲的內(nèi)部結構在過載時會發(fā)生變化，導致電阻增加。當器件冷卻時，低電阻結構恢復。這些保險絲專為最大額定電壓通常為 24 V 的低壓電路而設計。

PPTC保險絲的其他特點是：

當電流低于保險絲的跳閘額定值時，超低電阻，范圍從 mΩ 到約 2 Ω

100 mA 至 9 A 的寬電流額定值范圍

快速旅行

0402 至 2920 尺寸的節(jié)省空間的表面貼裝封裝

UL 組件認可和 TUV 認證。

為了保護由 VBUS 線路供電的電路免受電源線感應瞬態(tài)和靜電放電 （ESD） 沖擊，請使用單向瞬態(tài)電壓抑制器 （TVS） 二極管陣列。這種類型的二極管陣列的版本提供：

能夠安全吸收高達 40 A 的電快速瞬變電流和 5 A 的雷擊電流

能夠承受空中或直接接觸的 ±30 kV ESD 沖擊

5 V 電路中的最大低漏電流為 0.5 μA

節(jié)省空間的 0201 表面貼裝封裝

確保保護數(shù)據(jù)線免受可能破壞數(shù)據(jù)傳輸?shù)碾妷核沧?。考慮一個用于數(shù)據(jù)線保護的 4 通道 TVS 二極管陣列。

圖 3 所示的二極管陣列具有以下功能：

安全吸收 +22 kV ESD 空氣或直接接觸沖擊和 – 10 kV ESD 沖擊通過空氣或直接接觸

每個引腳對地的電容為 0.3 pF，對數(shù)據(jù)線的影響最小。

10 nA 的低漏電流，可將電路負載降至最低。

因此，完全保護 USB 2.0 端口只需要三個組件。

圖 3.具有用于瞬態(tài)電壓保護的齊納二極管的 4 通道 TVS 二極管陣列

保護 USB 3.2 接口

如上圖 2b 所示，USB 3.2 接口包括一條 VBUS 線和六條數(shù)據(jù)線和控制線。使用推薦的相同組件來保護 VBUS 線路，如針對 USB 2.0 接口討論過的過流和過壓事件。為了保護 6 條數(shù)據(jù)線免受電壓瞬變的影響，請考慮在每個端口上使用分立 TVS 二極管陣列。

單個 TVS 二極管陣列可以具有以下功能：

從電快速瞬變中安全吸收高達 40 A 的峰值電流

ESD 保護高達 ±18 kV 空中和 ±12 kV 直接接觸

低漏電流，最大值為 20 nA

0.09 pF pin-pin 的低電容，不會影響信號完整性

使用單獨的 TVS 二極管可為高速 USB 端口提供更大的保護，同時降低電容組件，從而將對數(shù)據(jù)傳輸容量的影響降至最低。

使用 Power Delivery 修訂版保護高速 USB 3.2 和 USB 4.0 接口

USB 3.2 Gen 2x1 及更高版本需要使用 Type-C 連接器。從圖1可以看出，Type-C連接器是一種高密度連接器。因此，Type-C 連接器容易因灰塵和污垢進入連接器而導致觸點之間的電阻短路。

由于電源引腳上的功率高達 100 W，因此始終存在損壞連接器和相關電路的可能性。使用配置通道 （CC） 線上的數(shù)字溫度指示器保護 USB Type-C 連接器免受與電阻故障相關的熱量，如圖 4 所示。

圖 4. USB 3.2 和 USB 4.0 Type-C 接口的推薦保護組件

借助 CC 線上的數(shù)字溫度指示器，它可以在任何功率條件下提供準確的保護，從 5W 等最低級別一直到 USB-C 的最大容量 100W。有關實現(xiàn)此熱保護功能的更多詳細信息，請參閱USB Type-C 標準。

為了防止瞬變，請考慮使用不同版本的 TVS 二極管陣列。為具有最低電容的 SuperSpeed 線路選擇 TVS 二極管陣列。通過選擇漏電流低的 TVS 二極管陣列來保持低功耗，特別是對于 VBUS 線路。

如果您的產(chǎn)品將用于汽車行業(yè)，請選擇符合 AEC-Q101 標準的 TVS 二極管陣列（基于汽車電子委員會故障機制的分立半導體壓力測試認證）。

保護 HDMI、DisplayPort 和 eSATA 接口

建議對高清多媒體接口 （HDMI） 、DisplayPort 和 eSATA 接口端口采用類似的保護方案，因此將這三個接口放在一起考慮。HDMI 將來自顯示控制器的高清視頻和數(shù)字音頻結合到視頻顯示設備或音頻設備。HDMI 被稱為事實上的高清電視標準。自 2004 年以來，HDMI 接口已被納入產(chǎn)品中。它現(xiàn)在是 2.1 版，可以以最高 48 Gbps 的速率傳輸數(shù)據(jù)。

DisplayPort 接口設計用于將視頻數(shù)據(jù)從視頻源傳輸?shù)斤@示設備，例如 PC 顯示器。該接口可以同時傳輸音頻和視頻，取代了VGA標準。DisplayPort 于 2006 年首次推出。2.0 版的目標數(shù)據(jù)速率為 77 Gbps，預計將于今年晚些時候完成。該接口兼容HDMI接口。視頻電子標準協(xié)會維護 DisplayPort 標準。

串行高級技術附件 （SATA）接口最初由 IBM 為 IBM AT PC 以并行格式開發(fā)，它定義了一個接口，該接口現(xiàn)在是磁盤驅動器的行業(yè)標準接口。外部 SATA （eSATA） 標準于 2004 年發(fā)展，為外部硬盤驅動器連接創(chuàng)建了強大的連接。

保護這三個接口（如圖 5 所示）免受瞬態(tài)破壞可能需要一個單一的組件類型，即四線 TVS 二極管陣列。

圖 5. HDMI、DisplayPort 和 eSATA 接口的推薦保護

圖 6 顯示了 4 線 TVS 二極管陣列的配置。

圖 6.用于抑制四條高速數(shù)據(jù)線上電壓瞬變的 TVS 二極管陣列

TVS 二極管陣列（例如 4 線陣列）提供：

0.2 pF 的超低電容，對傳輸眼圖影響不大

25 nA 漏電流，可實現(xiàn)最低功耗

通過空氣或直接接觸傳輸提供高達 ±20 kV 的 ESD 保護

SOD 883 封裝以節(jié)省 PC 板空間并降低走線布局的復雜性。

保護您的端口可增強產(chǎn)品的穩(wěn)健性和可靠性

保護傳輸接口涉及選擇在不影響傳輸信號的情況下為電路提供保護的組件。幸運的是，不需要太多組件。但是，需要考慮的組件范圍很廣。

在設計和選擇保護組件時利用制造商的專業(yè)知識來節(jié)省寶貴的開發(fā)時間。制造商可以幫助就具有成本效益的解決方案提供建議。保護您的設計免受電流過載和電壓瞬變的影響，將產(chǎn)生穩(wěn)健、可靠的設計，從而提高您的產(chǎn)品在市場上的聲譽并降低保修期內(nèi)的服務成本。