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。USB 4.0版本于 2019年發(fā)布，支持高達(dá) 40 Gbps的連接,在PD 3.1供電下功率可達(dá)180W，同時(shí)提供與 Thunderbolt 3&4的交叉兼容性。

近年來，隨著超高速通信和提高電力傳輸水平的需求日益增長，USB通信協(xié)議不斷發(fā)展，USB的接口制造工藝也不斷升級。在數(shù)據(jù)傳輸速率不斷提高的情況下，主控芯片采用了更為先進(jìn)的制程技術(shù)，但是對電氣過應(yīng)力 (EOS)和靜電放電 (ESD)事件更加敏感，因此我們需要找到最佳方案保護(hù) USB Type-C端口免受 ESD威脅的危害。本文將詳細(xì)介紹適合USB 4.0&PD 3.1的ESD&EOS防護(hù)完整解決方案。

USB 4.0介紹

USB 4.0規(guī)格通過雙通道實(shí)現(xiàn)高達(dá) 40Gbps的數(shù)據(jù)傳輸。USB Type-C連接器可以正面朝上或朝下插入，由上下兩側(cè)相同的兩組引腳組成24個(gè)引腳。其中四個(gè)引腳（Tx1+、Tx1-、Rx1+、Rx1-）用兩個(gè)差分對創(chuàng)建一個(gè)超高速數(shù)據(jù)傳輸通道，另外四個(gè)引腳（Tx2+、Tx2-、Rx2+ Rx2-）用另一組兩個(gè)差分對組成第二個(gè)通道。引腳配置如下圖1所示，這種雙通道配置以每通道 20Gbps的速度傳輸數(shù)據(jù)，在使用兩個(gè)通道時(shí)速度可達(dá) 40Gbps。

USB 4.0規(guī)格支持第三方協(xié)議，包括交替模式（Alt模式）下的 DisplayPort 2.0。在 Alt模式下，USB Type-C連接器可以直接連接到 DisplayPort器件并傳輸顯示信號，無需任何額外的電路，速度最高可達(dá) 80Gbps，是僅用于 USB數(shù)據(jù)傳輸?shù)膬杀?。?Alt模式下，所有顯示數(shù)據(jù)通過所有 8條數(shù)據(jù)線（Tx1+、Tx1-、Rx1+、Rx1-、Tx2+、Tx2-、Rx2+、Rx2-）進(jìn)入顯示監(jiān)視器。

圖1 USB Type-C引腳配置

表1 USB Type-C引腳功能描述

保護(hù)USB4免受EOS&ESD影響

圖2整體應(yīng)用方案

1.高速差分線TX+ ,TX- ,RX+, RX-

在 USB 4.0標(biāo)準(zhǔn)中，發(fā)射器 (TX)和接收器 (RX)線支持高達(dá) 40Gbps的超高速 USB接口和交替模式的數(shù)據(jù)傳輸。由于接口在傳輸大量內(nèi)容時(shí)數(shù)據(jù)線需要經(jīng)常插拔，在熱插拔的過程中有可能因?yàn)橄M(fèi)者的觸摸或金屬引腳短接引發(fā)靜電放電（ESD）等問題，因此選擇合適的 ESD防護(hù)器件至關(guān)重要。

湖南靜芯研發(fā)的SEUCS2X3V1B專為保護(hù)超高速USB差分線路而設(shè)計(jì)，同時(shí)具有0.14pF的極低電容，可確保信號完整性。SEUCS2X3V1B可對單路高速數(shù)據(jù)線進(jìn)行靜電防護(hù)，工作電壓為 3.3 V，鉗位電壓為僅為5.5V，封裝為DFN0603-2L，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)。

圖3 SEUCS2X3V1B器件TLP曲線

圖4 SEUCS2X3V1B眼圖測試結(jié)果

2.總線電源VBUS

USB PD 3.1可以提供高達(dá)180W的功率，則VBUS上的最大電壓可以達(dá)到36V，最大電流為5A。VBUS引腳的安全性就需要使用工作電壓為36V左右的防護(hù)器件來保護(hù) VBUS引腳。

我們選用的是湖南靜芯開發(fā)的平緩浪涌抑制器(TDS) ESTVS3300DRVR，可用于保護(hù)工作電壓為28V、33V和36V的系統(tǒng)，具有精準(zhǔn)且恒定的觸發(fā)電壓、優(yōu)異的鉗位性能及穩(wěn)定的溫度特性，可為系統(tǒng)提供更全面保護(hù)。TDS與TVS二極管不同，TDS耗散浪涌能量較小，能通過自身特性將過壓與過流事件高效泄放到地，從而避免增加自身熱損耗。這一特性使得TDS在體積上能夠大幅降低，為硬件工程師設(shè)計(jì)高度集成型解決方案提供了更優(yōu)選擇。此外，TDS器件的鉗位電壓會比TVS二極管低40%，因此減少了系統(tǒng)的電氣應(yīng)力，可以更好的保護(hù)后端IC，工程師可更靈活選擇更低耐壓的主控芯片，提高了系統(tǒng)的電能利用效率、可靠性以及降低整體系統(tǒng)成本。

ESTVS3300DRVR器件為DFN封裝，工作電壓為33V，可在 ESD和浪涌事件發(fā)生時(shí)保護(hù) USB-PD控制器。它具有38.7V的觸發(fā)電壓和50A的峰值脈沖電流,且符合IEC 61000-4-2 (ESD)規(guī)范，在 ±30kV（空氣）和 ±30kV（接觸）下提供瞬變保護(hù)。

VC vs. IPP(tp= 8/20μs)	37.8V@18.6A
38.2V@35.5A	38.6V@49.1A

表2 ESTVS3300DRVR相關(guān)曲線圖

3.D+/D-差分線

D+/D-兩個(gè)引腳是用于兼容USB 2.0接口，D+和D-引腳承載速率為480Mbps的差分?jǐn)?shù)據(jù)信號，這對差分線上的電壓在正常工作條件下可以達(dá)到 5V。推薦采用湖南靜芯的一款低電容ESD保護(hù)器件SELC2X5V1BT，該器件的工作電壓為5V，鉗位電壓為22V，結(jié)電容僅為0.3pF，封裝為DFN0603-2L，符合IEC 61000-4-2 (ESD)規(guī)范，在 ±25kV（空氣）和 ±22kV（接觸）下提供瞬變保護(hù)。

4.CC、SBU和VCONN引腳

CC1、CC2作為Type-C的識別通道，可用于識別連接設(shè)備和確定功率方向，建立和管理兩個(gè)連接端口之間的源和接收器連接。CC在插座中設(shè)有兩個(gè)，插頭中設(shè)有一個(gè)，可用于辨識插頭朝向并促進(jìn) USB 4.0數(shù)據(jù)總線通信的建立。當(dāng)其中一個(gè) CC引腳未被使用時(shí)，它會轉(zhuǎn)變?yōu)?VCONN引腳，服務(wù)于 USB Type-C電子標(biāo)記電纜（EMC）。VCONN是一個(gè)5V1W的電源，用于為帶有電子標(biāo)記的 Type-C電纜內(nèi)的集成電路 (IC)供電。若電纜不具備電子標(biāo)記功能，意味著內(nèi)部沒有電子設(shè)備，因此無需VCONN引腳供電，此時(shí)該引腳在 USB Type-C插頭上會處于未連接狀態(tài)。

SBU1、SBU2是 DisplayPort和其他數(shù)據(jù)信號在 Alt模式下工作的輔助通道，可用于支持高速數(shù)據(jù)或支持其他附加功能，如模擬音頻和視頻傳輸?shù)?。?USB 4.0協(xié)議中，它們被稱為 SBTX和 SBRX。SBTX是USB 4.0控制器的串行發(fā)送信號，SBRX是USB 4.0控制器的串行接收信號。SBTX/SBRX在USB 4.0中用于主機(jī)器件和外設(shè)之間進(jìn)行通信、初始化數(shù)據(jù)線、交換器件管理信息、控制數(shù)據(jù)等。

在使用USB-PD的情況下，VBUS引腳電壓可以達(dá)到36V，由于CC/SBU引腳緊挨著 VBUS引腳，如果發(fā)生短路，CC/SBU引腳將暴露在36V下,可能會對系統(tǒng)造成損害，為了避免此現(xiàn)象的發(fā)生，我們需要在CC/SBU引腳附近設(shè)置工作電壓大于36V的靜電保護(hù)元件。

湖南靜芯研發(fā)的雙向ESD靜電保護(hù)器件SEUCS2X36V1B是保護(hù) CC/SBU引腳的完美解決方案。SEUCS2X36V1B采用超小型DFN0603-2L封裝，工作電壓為36V，鉗位電壓為5.6V，結(jié)電容僅為0.14pF， 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)。

器件電氣特性表

At TA = 25℃ unless otherwise noted

表3 SEUCS2X3V1B電氣特性表

表4 SEUCS2X36V1B電氣特性表

表5 ESTVS3300DRVR電氣特性表

表6 SELC2X5V1BT電氣特性表

總結(jié)與結(jié)論

通過 USB Type-C連接器實(shí)現(xiàn)的 USB 4.0規(guī)格已成為主流接口，能以 40Gbps的超快速度傳輸數(shù)據(jù)，兼容DisplayPort 2.0標(biāo)準(zhǔn)，并啟用USB PD 3.1模式實(shí)現(xiàn)功率為180W的雙向電力傳輸。盡管不斷升級的USB接口標(biāo)準(zhǔn)大幅提升了數(shù)據(jù)傳輸速率，提供了卓越的視頻質(zhì)量和更高的分辨率，但同時(shí)在遇到靜電放電（ESD）沖擊時(shí)，其接口內(nèi)部更易受損需要合適的靜電保護(hù)。

湖南靜芯推出22V&33V TDS平緩浪涌抑制器，可用于保護(hù)工作電壓為20V、24V、28V、36V的系統(tǒng)，具有精準(zhǔn)且恒定的觸發(fā)電壓、優(yōu)異的鉗位性能及穩(wěn)定的溫度特性，可為系統(tǒng)提供更全面保護(hù)。同時(shí)靜芯深回掃型系列ESD器件工作電壓涵蓋1.0~38V，電流涵蓋4~30A，電容最低至0.1pF，封裝涵蓋CSP、FC及各類封裝形式。結(jié)合TDS器件與深回掃ESD優(yōu)勢，湖南靜芯是國內(nèi)首家推出USB 4.0完整解決方案的公司。