USB3.0/3.1靜電放電防護(hù)方案

方案簡介

USB是一種通用的串行總線標(biāo)準(zhǔn)，定義了數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議和電源供應(yīng)規(guī)范，用于連接計(jì)算機(jī)與外部設(shè)備。USB接口的設(shè)計(jì)初衷是為了簡化計(jì)算機(jī)與外部設(shè)備之間的連接，通過一個(gè)統(tǒng)一的接口標(biāo)準(zhǔn)來替代以往計(jì)算機(jī)上眾多的串行和并行接口。

USB3.0的理論速度最高可達(dá)5Gbps，相比USB2.0極大地提升了數(shù)據(jù)傳輸?shù)男屎退俣?，且保持了與USB2.0及更早版本的向后兼容性，用戶可以在USB3.0接口上使用USB2.0的設(shè)備。其廣泛應(yīng)用于消費(fèi)電子、計(jì)算機(jī)和外設(shè)等領(lǐng)域，如文件傳輸、攝像頭、打印機(jī)、掃描儀等。由于高速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)較小，且金屬引腳外露，所以接口對(duì)ESD靜電放電事件更為敏感。此USB3.0方案信號(hào)部分采用集成四通道保護(hù)、超低容值、低漏電的ESD靜電二極管防護(hù)器件，在不影響數(shù)據(jù)傳輸?shù)那疤嵯聺M足IEC61000-4-2 Level 4靜電放電防護(hù)需求。

USB3.1是USB3.0的升級(jí)版，提供了更高的數(shù)據(jù)傳輸速度和一系列新功能。它包含Gen1和Gen2兩個(gè)版本，其中Gen1的速度與USB3.0相同（5Gbps），而Gen2則達(dá)到了10Gbps。USB3.1支持最高100W的電力輸出，遠(yuǎn)超USB2.0和USB3.0的電力輸出能力，滿足更多高功率設(shè)備的充電需求。由于其高速傳輸速度和強(qiáng)大的電力供應(yīng)能力，被廣泛應(yīng)用于需要高性能數(shù)據(jù)傳輸和充電的設(shè)備中，如高端電腦、游戲設(shè)備、虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備等。提高數(shù)據(jù)速率的同時(shí)也顯示了系統(tǒng)級(jí)ESD器件靜電防護(hù)能力的重要性。此USB3.1方案高速信號(hào)部分采用單路雙向超低容的ESD靜電二極管防護(hù)器件，配合集成4路低容的ESD器件，提供靈活的布線選擇，在不影響數(shù)據(jù)傳輸?shù)那疤嵯聺M足IEC61000-4-2 Level 4靜電放電防護(hù)需求。

USB 3.0引腳配置

USB 3.1引腳配置

應(yīng)用示例

根據(jù)USB 3.0要兼容USB 2.0的特性，USB 3.0的靜電防護(hù)分為兩部分：Vbus和兼容USB 2.0的一對(duì)差分線（D+和 D-）共用一片四引腳ESD防護(hù)器件SELC143T5V2UC進(jìn)行防護(hù)，該器件的工作電壓為5V，結(jié)電容僅為1.0pF,符合IEC 61000-4-2 (ESD)規(guī)范，在 ±15kV（空氣）和 ±15kV（接觸）下提供瞬變保護(hù)；新增的兩對(duì)差分線SSTX+/-和SSRX+/-共用一片六引腳ESD防護(hù)器件SEUC10F5V4UB進(jìn)行防護(hù)，該器件的工作電壓為5V，結(jié)電容僅為0.4pF,符合IEC 61000-4-2 (ESD)規(guī)范，在 ±25kV（空氣）和 ±20kV（接觸）下提供瞬變保護(hù)。

總線電源VBUS

電源線，用于供電?？紤]到使用USB-PD滿足充電，推薦采用TDS平緩鉗位器件ESTVS2200DRVR做靜電浪涌防護(hù), DFN封裝，峰值電流27A,符合IEC 61000-4-2 (ESD)規(guī)范，在 ±30kV（空氣）和 ±30kV（接觸）下提供瞬變保護(hù)。

該TDS器件可用于PD接口防護(hù)，一旦瞬態(tài)電壓攀升至超過集成精密觸發(fā)器所設(shè)定的擊穿電壓（VBR）閾值，觸發(fā)器即會(huì)立即啟動(dòng)，激活與之相連的驅(qū)動(dòng)電路。這一動(dòng)作迅速使浪涌級(jí)FET由截止轉(zhuǎn)變?yōu)閷?dǎo)通狀態(tài)，進(jìn)而將可能損害電路的巨大瞬態(tài)能量（IPP）引導(dǎo)并安全地釋放至地。

SuperSpeed TX+ ,TX- ,RX+, RX-差分線

高速差分信號(hào)線，支持10Gbps的高速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(shí)仍保持極高速度，因此選擇合適的ESD防護(hù)器件至關(guān)重要。推薦用低結(jié)電容0.2PF，小體積CSP0603-2L方便布線,深回掃，低鉗位電壓SEUCS2Z3V1B做靜電保護(hù)，符合IEC 61000-4-2 (ESD)規(guī)范，在 ±15kV（空氣）和 ±15kV（接觸）下提供瞬變保護(hù)，確保信號(hào)完整性。

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

用于兼容USB 2.0接口的D+/-引腳和通信通道CC2、輔助通道SBU2共用一片六引腳ESD防護(hù)器件SEUC10F5V4U或SEUC10F5V4UB進(jìn)行防護(hù)。SEUC10F5V4U器件的工作電壓為5V，結(jié)電容僅為0.6pF,符合IEC 61000-4-2 (ESD)規(guī)范，在 ±17kV（空氣）和 ±12kV（接觸）下提供瞬變保護(hù)；SEUC10F5V4UB器件的工作電壓為5V，結(jié)電容僅為0.4pF,符合IEC 61000-4-2 (ESD)規(guī)范，在 ±25kV（空氣）和 ±20kV（接觸）下提供瞬變保護(hù)?？蛻艨筛鶕?jù)實(shí)際的信號(hào)速率進(jìn)行選擇。

型號(hào)參數(shù)

電氣特性表

At TA = 25℃ unless otherwise noted

表1 SELC143T5V2UC電氣特性表

表2 SEUC10F5V4U電氣特性表

表3 SEUC10F5V4UB電氣特性表

表4 SEUCS2Z3V1B電氣特性表

表5 ESTVS2200DRVR電氣特性表

總結(jié)與結(jié)論

隨著移動(dòng)設(shè)備和存儲(chǔ)設(shè)備的普及，高速的數(shù)據(jù)傳輸變得越來越重要。USB 3.0/3.1不僅應(yīng)用于傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)外設(shè)，還廣泛應(yīng)用于智能手機(jī)、平板電腦、SSD固態(tài)硬盤、相機(jī)等設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸和充電。因此防止災(zāi)難性靜電放電（ESD）事件對(duì)USB 3.0/3.1端口的侵害，成為了不可忽視的課題。

ELECSUPER SEMI高效、可靠的ESD產(chǎn)品專為各類USB接口設(shè)計(jì)以有效抵御ESD威脅,為全球眾多知名電子設(shè)備提供了堅(jiān)實(shí)的防護(hù)屏障。選擇ELECSUPER SEMI ESD防護(hù)器件來保護(hù)USB 3.0/3.1端口，保障了數(shù)據(jù)傳輸?shù)捻槙碂o阻，顯著提升受保護(hù)設(shè)備的耐用性與長期使用的可靠性，為用戶帶來更加安心、穩(wěn)定的數(shù)字生活體驗(yàn)。

審核編輯 黃宇