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、USB發(fā)展歷程與接口分類

由英特爾等多家公司聯(lián)合在1996年推出通用串行總線（英語：Universal Serial Bus，縮寫：USB）是一種串口總線標準，也是一種輸入輸出接口的技術規(guī)范，被廣泛地應用于個人電腦和移動設備等信息通訊產(chǎn)品，并擴展至攝影器材、數(shù)字電視（機頂盒）、游戲機等其它相關領域。最新一代USB 4于 2019年發(fā)布，支持高達 40 Gbps的連接，同時提供與 Thunderbolt 3和 4的交叉兼容性。USB 4版本 2.0將最大速度翻倍至 80 Gbps，但可以更高，單向高達 120 Gbps（下行鏈路為 40 Gbps），為高分辨率顯示器供電，三段式電壓5V/12V/20V，最大供電100W，新型Type C接口允許正反盲插，并向后兼容USB 3.2和 USB 2.0。

USB協(xié)議	支持帶寬	發(fā)布時間	信號線建議 ESD 電容
USB 1.0	1.5Mbps	1996年1月15日	低于15pF
USB 1.1	12Mbps	1998年9月23日	低于15pF
USB 2.0	480Mbps	2000年4月27日	低于3.0pF
USB3.0	5Gbps	2008年11月12日	低于0.5pF
USB 3.1 Gen 1	5Gbps	2013年7月26日	低于0.5pF
USB 3.1 Gen 2	10Gbps	2013年7月26日	低于0.25pF
USB 3.2 Gen 1	5Gbps	2017年9月22日	低于0.5pF
USB 3.2 Gen 2	10Gbps		低于0.25pF
USB 3.2 Gen 1x2	10Gbps		低于0.25pF
USB 3.2 Gen 2x2	20Gbps		低于0.20pF
USB4 Gen2x2	20Gbps	2019年8月	低于0.20pF
USB4 Gen3x2	40Gbps+	2019年8月	低于0.15pF
Thunderbolt 3	40Gbps	2016年3月	低于0.15pF
Thunderbolt 4	40Gbps	2020年7月8日	低于0.15pF

圖1 1996-2019 USB協(xié)議通訊速率發(fā)展

隨著USB協(xié)議的推出與發(fā)展出現(xiàn)多種接口外形，USB接口按大類分有三種，即Type-A（電腦上插鼠標、鍵盤、U盤的接口）、Type-B（常見于打印機以及帶觸摸和USB接口的顯示器）、Type-C（支持正反2個方向插入）；而細分的話有七種，分別是Standard Type-A、Mini Type-A、Micro type-A，standard Type-B、Mini Type-B、Micro Type-B，Type-C。

圖2 USB外觀類型

Type-C接口作為一種全新的連接標準，不僅逐漸成為各類電子設備的首選，更在數(shù)據(jù)傳輸、充電速度和便攜性方面帶來了革命性的變革。USB-IF發(fā)布USB4物理層形態(tài)只有Type-C一種：這意味著所有支持USB4的設備必須使用Type-C接口，確保了設備之間的兼容性和統(tǒng)一性。

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

圖3 Type-C引腳定義

二、USB3.X/4.0、Thunderbolt 3/4遭受ESD/EOS原因

日常工作、生活中離不開手機、筆記本電腦、平板等電子設備。每次插拔USB充電/數(shù)據(jù)線時，都可能產(chǎn)生靜電放電ESD或低壓浪涌Surge的干擾。造成該現(xiàn)象的主要原因如下：

1.USB Type-C接口比較小巧，且其金屬觸點之間的距離較小，這使得它們更容易受到靜電放電的影響。

2.USB Type-C接口通常用于連接各種電子設備，這些設備可能會產(chǎn)生不同的靜電放電，從而影響接口的正常工作。

3.人體是常見的靜電源，當我們觸摸 USB Type-C接口時，可能會將身上的靜電荷傳遞到接口上，引發(fā) ESD危害。

4.熱插拔或充電，沒有做好浪涌防護會造成EOS事件發(fā)生。

如果防護不到位，輕則造成異?；蛩罊C，需要系統(tǒng)重啟，重則端口電路永久性損壞，設備無法使用。

三、USB3.X/4.0、Thunderbolt 3/4 ESD選型注意事項

在選擇ESD（靜電放電）保護組件以適配USB 3.X和USB 4.0高速接口時，需著重考慮以下幾個關鍵因素以確保高速信號的完整性和設備的安全性：

1.低電容特性：為確保USB 3.X和USB 4.0接口傳輸?shù)母咚傩盘柌皇苡绊?，所選ESD保護器件必須具有極低的電容值。低電容有助于減少信號衰減和失真，從而確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐暾院头€(wěn)定性。

2.高ESD耐電壓能力：考慮到靜電放電可能帶來的潛在損害，ESD保護組件必須能夠承受較高的ESD電壓沖擊。按照IEC 61000-4-2標準，至少應能承受8kV的接觸放電ESD沖擊，以提供足夠的保護。

3.低鉗位電壓：較低的鉗位電壓表示在ESD事件發(fā)生時，保護器件能夠更有效地將電壓限制在安全范圍內(nèi)，避免對后端電路造成損害。因此，選擇具有低鉗位電壓的ESD保護組件是保障設備安全性的重要措施。

四、湖南靜芯深回掃ESD介紹

湖南靜芯在為手機、電腦等應用領域持續(xù)提供高性能解決方案的積淀中，推出SCR工藝回掃特性ESD防護器件，具有超小封裝體積、超低鉗位電壓、超低結(jié)電容特性，相比常規(guī)工藝 TVS防護效果更優(yōu)，且不影響信號完整性，可更有效保護USB端口免受瞬態(tài)過電壓的影響，為相關電子產(chǎn)品設備加固防護，提升消費者使用體驗。

1、常規(guī)ESD與回掃型ESD區(qū)別

常規(guī)ESD：其電壓隨著IPP（峰值脈沖電流）的增加而等比例增加，呈現(xiàn)出一個較為線性的增長趨勢。帶回掃ESD：當電壓達到VT1（觸發(fā)電壓）后，ESD器件會瞬間將兩端的鉗位電壓拉低，進入一個介于工作電壓VRWM和VT1之間的較低電壓Vh。隨后，隨著電流的增加，電壓逐漸增大，但增長速度相比常規(guī)ESD較慢。

帶回掃ESD的優(yōu)點：

1.低鉗位電壓：在相同的IPP下，帶回掃ESD的VC（鉗位電壓）比常規(guī)ESD器件低50%以上。這種低鉗位電壓有助于提前釋放能量，更有效地保護集成電路（IC）及整個電路的安全；

2.更低ESD鉗位電壓：帶回掃ESD具有更優(yōu)異的ESD保護能力，能在過ESD事件時提供更低的鉗位電壓，從而提供更高級別的系統(tǒng)保護；

3.更低的漏電流：這類ESD器件具有更低的漏電流，有助于降低設備的功耗，實現(xiàn)更節(jié)能的設計；

4.更廣泛的應用范圍：帶回掃ESD的優(yōu)異性能使其適用于更廣泛的領域，如低壓移動電子設備、汽車電子、工業(yè)控制等對ESD保護要求較高的場合。

通過對比常規(guī)ESD和帶回掃ESD的特性曲線圖及其優(yōu)點，可以看出帶回掃ESD在ESD保護方面具有更出色的性能和應用前景。

圖3 IV曲線對比

2、湖南靜芯深回掃產(chǎn)品推薦

靜芯推出超小體積、超低結(jié)電容、超低鉗位電壓的Snap Back（深回掃）ESD器件SEUCS2Z3V1B，該產(chǎn)品專為USB3.X/4.0、Thunderbolt 3/4接口的TX（發(fā)送）和RX（接收）線路設計。SEUCS2Z3V1B為單路雙向保護器件，具備8.0V低觸發(fā)電壓和5V低鉗位電壓特性，滿足18V低壓浪涌（1.2/50us)的過壓保護需求（VRWM=5.0V MAX，VCL = 5.0V@IPP = 9.0A (8/20us)）。以其更小的容值和更低的鉗位電壓，為高速數(shù)據(jù)傳輸提供了高速信號線提供優(yōu)異的瞬態(tài)過壓保護效果，確保了信號的完整性和設備的安全性。

圖4基本電性圖

圖5器件TLP曲線

圖6 CV曲線圖

圖7靜電與眼圖測試

五、USB3.X/4.0、Thunderbolt 3/4接口ESD/EOS防護方案

1. SuperSpeed TX+ ,TX- ,RX+, RX-差分線

高速差分信號線，支持高達40Gbps的超高速USB接口和交替模式的數(shù)據(jù)傳輸。由于接口試圖在傳輸大量內(nèi)容時仍保持極高速度，因此選擇合適的ESD（TVS)防護器件至關重要。推薦用低結(jié)電容0.2PF，小體積CSP0603方便布線,深回掃，低鉗位電壓SEUCS2Z3V1B做靜電保護，確保信號完整性。

2. USB 2.0 D+/D- 差分線

用于USB 2.0接口，D+和D-引腳數(shù)據(jù)速率480Mbps，這對差分線上的電壓正常為5V，考慮線速推薦采用SEUCS2Z3V1B，低結(jié)電容0.2PF ,小體積CSP0603,方便布線。

3.總線電源VBUS

電源線，用于供電?？紤]使用USB-PD滿足充電，推薦采用大功率ESD(TVS) SEHC16F24V1UD做靜電浪涌防護,封裝為DFN1610-2，峰值電流60A,功率1800W。

4. Configuration Channel&Sideband use (SBU)

CC1、CC2：通信通道，用于識別連接設備和確定功率方向。SBU1、SBU2：輔助通道，可用于支持高速數(shù)據(jù)或其他功能。CC/SBU引腳緊挨著 VBUS引腳。使用USB-PD的話，VBUS引腳電壓可以達到20V，這樣CC/SBU引腳容易短路到20V, 為了避免損壞，這兩個引腳推薦24V ESD（TVS)進行保護：SEUCS2Z24V1B。做好以上這些信號保護，USB4將免于發(fā)生一些靜電浪涌事件。