USB 2.0高速端口的ESD保護(hù)設(shè)計(jì)方案

通用串行總線(USB)高速數(shù)據(jù)應(yīng)用也十分普遍，用戶在熱插撥任何USB外設(shè)時(shí)可能會(huì)導(dǎo)致ESD事件。此外，在離導(dǎo)電表面幾英寸的地方也可能發(fā)生空氣放電，可能損壞USB接口及芯片。因此，設(shè)計(jì)人員必須為USB元件提供ESD保護(hù)。

業(yè)界制定了不少針對(duì)不同瞬態(tài)干擾的ESD標(biāo)準(zhǔn)，比如針對(duì)系統(tǒng)級(jí)ESD事件的IEC61000-4-2國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。另外還有一些元器件級(jí)的ESD敏感度測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，如人體模型(HBM)和機(jī)器模型(MM)等。USB 2.0高速數(shù)據(jù)線路應(yīng)用的半導(dǎo)體ESD保護(hù)元件應(yīng)當(dāng)具備下列重要特性：

極低電容：將USB 2.0高速數(shù)據(jù)線路(480 Mbps)中的信號(hào)衰減減至最小；

快速動(dòng)作響應(yīng)時(shí)間(納秒級(jí))：在ESD脈沖信號(hào)快速上升時(shí)保護(hù)USB元件；

低泄漏電流：將額定工作條件下的功率消耗減至最低；

強(qiáng)固性：能夠承受很多次的ESD事件沖擊而不受損傷；

小封裝：集成型更小封裝

本文介紹安森美半導(dǎo)體的新的低電容瞬態(tài)電壓抑制器(TVS)二極管陣列NUP4114UPXV6的主要特性，并討論如何為USB 2.0高速數(shù)據(jù)線路提供有效的ESD保護(hù)。

NUP4114UPXV6的特性及配置選擇

NUP4114UPXV6是一款非常適合USB 2.0高速數(shù)據(jù)線路ESD保護(hù)的TVS二極管陣列。該器件具有0.8pF的極低電容(I/O線路與地之間的典型電容)，能將USB 2.0高速數(shù)據(jù)線路中的信號(hào)衰減降至最低。該器件滿足13 kV接觸放電的系統(tǒng)級(jí)IEC61000-4-2標(biāo)準(zhǔn)，并能承受人體模型3B類(超過(guò)8 kV)和機(jī)器模型C類(超過(guò)400V)的CMOS器件級(jí)ESD額定脈沖，具有強(qiáng)固的ESD保護(hù)性能。此外，它采用SOT563封裝，尺寸僅為1.6×1.6×0.55mm，非常適合計(jì)算機(jī)、手機(jī)、MP3播放器等應(yīng)用中的USB2.0高速數(shù)據(jù)線路及其它高速應(yīng)用的ESD保護(hù)。

NUP4114UPXV6能夠保護(hù)多達(dá)4條數(shù)據(jù)線路，驅(qū)使瞬態(tài)過(guò)壓達(dá)到鉗位參考點(diǎn)，讓?xiě)?yīng)用免受瞬態(tài)過(guò)壓條件影響。無(wú)論什么時(shí)候，只要受保護(hù)線路上的電壓超過(guò)參考電壓(V_f或V_CC+V_f)，器件中的控向(steering)二極管將正向偏置。這些二極管會(huì)迫使瞬態(tài)電流不經(jīng)過(guò)敏感的CMOS芯片，而從其旁路流過(guò)。

在保護(hù)應(yīng)用中，數(shù)據(jù)線路連接至這器件的引腳1、3、4和6。負(fù)參考連接至引腳2，且該引腳必須通過(guò)接地層(ground plane)直接連接至地，從而將印制電路板(PCB)的接地電感降至最低。為將寄生電感降至最低，盡可能縮短走線(trace)長(zhǎng)度也非常重要。

NUP4114UPXV6有3種配置選擇。配置選擇1采用V_CC作為參考，保護(hù)4條線路及電源(圖1)。在這種配置中，引腳5直接連接至正電源輸入端(V_CC)，數(shù)據(jù)線路以電源電壓為參考。內(nèi)部的TVS二極管防止電源輸入端上出現(xiàn)過(guò)壓?？叵蚨O管的偏置可降低它們的電容。

配置選擇2采用偏置及電源隔離電阻來(lái)保護(hù)4條數(shù)據(jù)線路。該器件可在引腳5與V_CC之間串聯(lián)10kΩ電阻實(shí)現(xiàn)與電源隔離。這將在內(nèi)部TVS及控向二極管上維持偏置，并降低它們的電容。

配置選擇3采用內(nèi)部TVS二極管作為參考來(lái)保護(hù)4條數(shù)據(jù)線路。在缺乏正電源參考的應(yīng)用，或是需要完全隔離型電源的應(yīng)用中，可以采用內(nèi)部TVS作為參考。在這些應(yīng)用中，引腳5不連接。采用這種配置時(shí)，只要受保護(hù)線路上的電壓超過(guò)TVS工作電壓與一個(gè)二極管壓降的和(V_C= V_f +V_TVS)時(shí)，控向二極管導(dǎo)通。

利用NUP4114UPXV6保護(hù)USB 2.0高速數(shù)據(jù)應(yīng)用

USB端口由4條線路組成，其中D+和D-用于雙向數(shù)據(jù)傳輸，其余2條線路用于總線電壓及接地。圖2是NUP4114UPXV6為USB2.0高速數(shù)據(jù)應(yīng)用提供ESD保護(hù)的電路圖。

USB控制器

如果發(fā)生ESD瞬態(tài)事件，器件中的控向二極管使瞬態(tài)電流避開(kāi)受保護(hù)的IC，而集成的TVS器件將浪涌電流轉(zhuǎn)移到地。TVS元件還會(huì)抑制電壓總線(V_BUS)上的ESD事件。NUP4114UPXV6通過(guò)這些方式保護(hù)USB 2.0高速數(shù)據(jù)線路應(yīng)用中的敏感IC。

其它USB 2.0高速應(yīng)用ESD保護(hù)方案

NUP4114UPXV6是一款集成型方案，用于保護(hù)2條USB 2.0高速數(shù)據(jù)線路。圖2所示的USB 2.0應(yīng)用不帶識(shí)別(ID)線路。這類不帶ID線路的USB 2.0應(yīng)用除了可以采用NUP4114UPXV6之外，還可以采用安森美半導(dǎo)體的另一款集成型解決方案NUP2114。此外，這類應(yīng)用中還可以采用不同的分立方案，比如搭配2顆安森美半導(dǎo)體的ESD9L和1顆ESD9X，或者搭配1顆ESD7L和1顆ESD9X，或者搭配1顆最新的ESD11L和1顆ESD9X。

此外，在帶ID線路的USB 2.0應(yīng)用(見(jiàn)圖3a)中，同樣可以采用安森美半導(dǎo)體的分立或集成ESD保護(hù)方案。比如搭配3顆ESD9L和1顆ESD9X作為分立ESD保護(hù)方案，或者采用單顆的NUP3115UP或NUP4114UP這樣的集成方案，如圖3所示。

本文小結(jié)

速率高達(dá)480Mbps的USB 2.0高速數(shù)據(jù)線路應(yīng)用需要有效的ESD保護(hù)。安森美半導(dǎo)體的低電容TVS二極管陣列NUP4114UPXV6提供0.8pF的極低電容，能高速應(yīng)用中的信號(hào)衰減降至極低。它提供3種不同的配置選擇，可保護(hù)多達(dá)4條數(shù)據(jù)線路，讓?xiě)?yīng)用免受瞬態(tài)過(guò)壓的影響，并迫使瞬態(tài)電流避免流過(guò)敏感的CMOS芯片。此外，該器件還符合IEC61000-4-2標(biāo)準(zhǔn)及HBM和MM測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)。因此，設(shè)計(jì)人員可以利用該器件為USB 2.0高速應(yīng)用提供有效的ESD保護(hù)。