ESD保護設(shè)計要點

概述

USB接口的可熱插拔特性會容易受靜電損壞器件，造成死機、燒板、掉線等。在USB接口上設(shè)計ESD保護是必要的，USB ESD設(shè)計需要滿足JS-001-2017（HBM）和IEC61000-4-2兩個標(biāo)準(zhǔn)。HBM要求設(shè)備USB接口能夠承受高達2 kV的放電，圖1和表1為JS-001-2017標(biāo)準(zhǔn)測試波形和等級分類。圖2和表2為IEC61000-4-2標(biāo)準(zhǔn)測試波形和等級分類。

圖1. JS-001-2017標(biāo)準(zhǔn)測試波形

表1. JS-001-2017標(biāo)準(zhǔn)等級分類

圖2. IEC61000-4-2標(biāo)準(zhǔn)測試波形

表2. IEC61000-4-2標(biāo)準(zhǔn)等級分類

ESD保護設(shè)計要點

在USB接口設(shè)計時建議加入ESD保護器件并加入VBUS偵測電路檢測過壓。設(shè)計要點列出如下：

ESD保護器件應(yīng)盡量靠近USB插座接口放置（ESD進入點）

VBUS、USB數(shù)據(jù)線（USB_D+/USB_D-）、ID（若為OTG）都要進行ESD保護

圖3. USB ESD保護電路

VBUS的走線盡量遠離D+/D-

USB插座金屬殼要與設(shè)備外殼地可靠連接

設(shè)備不需要VBUS提供電源時，可通過電阻分壓后連接于AT32的非5 V耐壓的一般GPIO，或直接連接于5 V耐壓的GPIO，作為VBUS偵測信號

圖4. VBUS偵測電路

ESD保護器件的選擇

USBFS的傳輸速率達到12 Mbps，一般選用TVS陣列管來實現(xiàn)ESD防護。當(dāng)ESD事件到來時，TVS中的二極管會正向?qū)ǎ沟盟矐B(tài)電流繞過敏感的CMOS器件，將瞬態(tài)高壓降低到鉗位電壓值，進而實現(xiàn)對接口電路的保護。

鉗位電壓

在ESD事件到來時，保護器件對高壓脈沖鉗制到鉗位電壓，并且分流大部分脈沖電流到地，以保護后端敏感器件。但是，仍然會有殘余電流流入受保護器件，ESD事件期間的峰值電流是通過ESD保 護器件的分流電流與流入受保護器件的殘余電流之和。受保護器件承受的功率取決于ESD保護器件的鉗位電壓和流入的殘余電流。

鉗位電壓可用以下公式計算：

鉗位電壓（VCL）=VBR+Io（殘余電流）x Ro（受保護器件電阻）

在選擇ESD保護器件鉗位電壓時，設(shè)計人員必需了解使用何種測試設(shè)置來確定數(shù)值。根據(jù)IEC61000-4-2 Level 4標(biāo)準(zhǔn)，ESD脈沖具有少于1 ns的上升時間和小于100 ns的持續(xù)時間，以及30 A峰值電流。具有5 V鉗位電壓的ESD保護二極管可能在實際的ESD測試中出現(xiàn)超過30 V的鉗位電壓。如果不了解這一點，設(shè)計人員可能會僅僅根據(jù)數(shù)據(jù)表中最低鉗位電壓來選擇ESD保護器件。

信號完整性

在數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中要求確保接收器達到一定的信號完整性水平，信號的上升、下降時間是由整個傳輸路徑阻抗來限制的，并且結(jié)合了接口的所有寄生電容。這些寄生電容可能由不匹配的PCB線路、USB插座引腳或其它并聯(lián)電容引起，因此要求ESD保護器件的電容必須小，并且也要能提供足夠的ESD防護能力。