USB3.0/3.1靜電放電防護(hù)方案
方案簡(jiǎn)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(jiǎn)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)男屎退俣龋冶３至伺cUSB2.0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
| Pin | 名稱 | 功能描述 | Pin | 名稱 | 功能描述 |
| 1 | VBUS | 電源+5V | 2 | D- | USB2.0數(shù)據(jù)線data- |
| 3 | D+ | USB2.0數(shù)據(jù)線data+ | 4 | GND | 接地 |
| 5 | SSRX- | 超高速接收機(jī)差分對(duì) | 6 | SSRX+ | 超高速接收機(jī)差分對(duì) |
| 7 | GND_DRAIN | 接地 | 8 | SSTX- | 超高速發(fā)送器差分對(duì) |
| 9 | SSTX+ | 超高速發(fā)送器差分對(duì) |
USB 3.1引腳配置
| 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(hào) #1，TX，正 |
B2 | SSRXp1 |
超高速差分信號(hào) #1，RX，正 |
| A3 | SSTXn1 |
超高速差分信號(hào) #1，TX，負(fù) |
B3 | SSRXn1 |
超高速差分信號(hào) #1，RX，負(fù) |
| 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(hào)Position1，正 | B6 | Dn2 | USB2.0差分信號(hào)position2，負(fù) |
| A7 | Dn1 | USB2.0差分信號(hào)Position1，負(fù) | B7 | Dp2 | USB2.0差分信號(hào)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(hào) #2，RX，負(fù) |
B10 | SSTXn2 |
超高速差分信號(hào) #2，TX，負(fù) |
| A11 | SSRXp2 |
超高速差分信號(hào) #2，RX，正 |
B11 | SSTXp2 |
超高速差分信號(hào) #2，TX，正 |
| A12 | GND | 接地 | B12 | GND | 接地 |
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?jī)?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)
| 規(guī)格型號(hào) | 方向 | 工作電壓(V) | IPP(A) | 鉗位電壓(V) | 結(jié)電容(pF) | 封裝 |
| SELC143T5V2UC | Uni. | 5 | 7 | 15 | 1.0 | SOT-143 |
| SEUC10F5V4U | Uni. | 5 | 4.5 | 12 | 0.6 | DFN2510-10L |
| SEUC10F5V4UB | Uni. | 5 | 3 | 12 | 0.4 | DFN2510-10L |
| SEUCS2Z3V1B | Bi. | 3.3 | 9 | 5 | 0.2 | CSP0603-2L |
| ESTVS2200DRVR | Uni. | 22 | 27 | 30.8 | 150 | DFN |
電氣特性表
At TA = 25℃ unless otherwise noted
| Parameter | Symbol | Conditions | Min. | Typ. | Max. | Units |
| Reverse Stand-off Voltage | VRWM | 5 | V | |||
| Reverse Breakdown Voltage | VBR | IT=1mA | 6 | 9 | V | |
| Reverse Leakage Current | IR | VRWM=5V | 1 | uA | ||
| Clamping Voltage | VC | IPP=1A; tp=8/20us | 10 | 13 | V | |
| Clamping Voltage | VC | IPP=7A; tp=8/20us | 15 | 20 | V | |
| Junction Capacitance | CJ |
VR=0V; f=1MHz I/O pin to I/O pin |
0.5 | 0.8 | pF | |
| Junction Capacitance | CJ |
VR=0V; f=1MHz I/O pin to GND |
1.0 | 1.6 | pF |
表1 SELC143T5V2UC電氣特性表
| Parameters | Symbol | conditions | Min. | Typ. | Max. | Unit |
| Reverse stand-off voltage | VRWM | 5.0 | V | |||
| Reverse Breakdown Voltage | VBR | IT= 1mA | 6.0 | V | ||
| Reverse Leakage Current | IR | VRWM=5V | 1.0 | uA | ||
| Peak Pulse Current | IPP | TP=8/20us@25℃ | 4.5 | A | ||
| Clamping Voltage | VCL | IPP=1A; TP=8/20us | 9.0 | 11.0 | V | |
| Clamping Voltage | VCL | IPP=4.5A; TP=8/20us | 12.0 | 15.0 | V | |
| Junction capacitance | CJ |
I/O pins to ground; VR=0V; f = 1MHz |
0.6 | pF | ||
| Between I/O pins; | ||||||
| VR=0V; f = 1MHz | 0.3 |
表2 SEUC10F5V4U電氣特性表
| Parameters | Symbol | conditions | Min. | Typ. | Max. | Unit |
| Reverse stand-off voltage | VRWM | 5.0 | V | |||
| Reverse Breakdown Voltage | VBR | IT= 1mA | 6.0 | 7.5 | 8.5 | V |
| Reverse Leakage Current | IR | VRWM=5V | 1.0 | uA | ||
| Clamping Voltage | VCL | IPP=1A; TP=8/20us | 9.0 | 11.0 | V | |
| Clamping Voltage | VCL | IPP=3A; TP=8/20us | 12.0 | 15.0 | ||
| Junction capacitance | CJ | I/O pins to ground; VR=0V; f = 1MHz | 0.4 | 0.5 | pF | |
| Between I/O pins; VR=0V; f = 1MHz | 0.2 | 0.25 |
表3 SEUC10F5V4UB電氣特性表
| Parameter | Symbol | Conditions | Min. | Typ. | Max. | Units |
| Reverse Stand-off Voltage | VRWM | 3.3 | V | |||
| Reverse Breakdown Voltage | VBR | IT=1mA | 6.0 | 8.8 | 10.0 | V |
| Reverse Leakage Current | IR | VRWM=3.3 | 1 | 100 | nA | |
| Clamping Voltage | VC | IPP=1A; tp=8/20us | 1 | V | ||
| Clamping Voltage | VC | IPP=9A; tp=8/20us | 5 | V | ||
| Clamping Voltage | VC | Ipp=16A，tlp=100ns | 6 | V | ||
| Junction Capacitance | CJ | VR=0V; f=1MHz | 0.2 | 0.25 | pF |
表4 SEUCS2Z3V1B電氣特性表
| Parameter | Symbol | Conditions | Min. | Typ. | Max. | Units |
| 反向工作電壓 | VRWM | 22 | V | |||
| 反向擊穿電壓 | VBR | IT=1mA | 27.5 | V | ||
| 反向漏電 | IR | VRWM=22V | 1 | nA | ||
| 正向電壓 | VF | IT=1mA | 0.55 | V | ||
| 鉗位電壓 | VCL | IPP=9A; tp=8/20us | 28.4 | V | ||
| VCL | IPP=27A; tp=8/20us | 30.8 | V | |||
| 導(dǎo)通電阻 | RDYN* | tp=8/20us | 96 | mΩ | ||
| 結(jié)電容 | CJ | VR=22V; f=1MHz | 150 | pF |
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(zhǎng)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
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