如何使用 ESD 限流保护器件保护 USB 主机端口

当今关于接口技术的最热门话题之一是通用串行总线 (USB) Type-C 连接器，因其可逆性、更高的数据传输、功率传输和附加协议而广受欢迎。虽然新标准令人兴奋，但现实情况是 USB Type-A 连接器仍然很突出，并且正在被设计到今天的终端设备中。在设计 USB 主机端口时，您应该考虑两个主要的保护领域：过流保护和静电放电 (ESD) 保护。

过流保护

根据USB 2.0 规范的第7.2.1.2.1 节，“出于安全原因，所有主机和自供电集线器都必须实施过流保护。” 您可以通过使用保险丝或限流开关来完成此操作。此外，限流开关是优于保险丝的首选解决方案，因为它允许您在设计期间为每个端口分配更少的功率。在瞬态事件中，负载开关通过在恒流模式下运行将输出电流限制在安全水平。保险丝将允许电流上升到最大电流水平以上，直到它关闭。选择限流开关允许您选择更小的 DC/DC 转换器和电感器，因为该开关在过流事件期间可以更准确地限制电流。限流开关还允许降低 V压降在瞬变期间与保险丝实现在 5V Vbus 中。

ESD保护

在设计 USB 端口时，您应该意识到 ESD 冲击的高风险，并考虑使用 ESD 保护来防止损坏。例如，USB 控制器和收发器通常根据人体模型处理 ESD 额定值。此等级是最古老且最常用于检测 ESD 灵敏度的等级。HBM 等级旨在用于芯片级 ESD 保护，并不保证系统会受到更高级别 ESD 冲击的保护。与 HBM 等级相比，国际电工委员会 (IEC) 61000-4-2 标准测试更高水平的 ESD 能量，如图 1 所示。对于系统级保护，请考虑选择更稳健的 IEC 61000-4-2标准并使用瞬态电压抑制器 (TVS) 二极管。

在 USB 2.0 应用中，应为 V BUS和数据线考虑系统级 ESD 保护。V BUS需要一个大电容来处理热插拔等电源瞬变，因此可以通过该电容通过 IEC 61000-4-2。但是，数据线需要不同的方法。高速线路以 480 Mbps 的最大数据速率运行，这意味着无法添加大电容器来防止 ESD。您将需要一个低电容 TVS 二极管以降低对信号完整性的影响。

完整的解决方案

传统上，多个设备满足 USB 主机的保护要求：一个用于 Vbus 的限流负载开关加上一个或多个用于数据引脚的 ESD 保护设备。TPD3S014结合了一个限流开关和两个 ESD 保护通道，构成了一个单芯片 USB 主机端口解决方案，如图 2 所示。TPD3S014和TPD3S044在一个空间内分别允许 0.5A 和 1.5A 的连续电流- 节省 2.9 mm x 2.8 mm DBV 封装。

TPD3S014-Q1 集成器件 配有 一个限流负载开关和一个基于双通道瞬态电压抑制器 (TVS) 的静电放电 (ESD) 保护二极管阵列，适用于 USB 接口。TPD3S014-Q1 器件适用于 可能 出现大电容负载和短路的应用(如 USB 接口);TPD3S014-Q1 可提供短路保护和过流保护。当输出负载超过电流限制阈值时，TPD3S014-Q1 通过在恒定电流模式下运行即可将输出电流限制到安全水平。快速过载响应特性有助于减轻 5V 主电源的负担，当输出短路时可以快速调节电源。电流限制开关的上升和下降此时受到控制，力求尽量减小器件开关过程中的浪涌电流。

TPD3S014-Q1 支持 0.5A 的持续电流。TVS 二极管阵列的额定 ESD 冲击消散值高于 IEC 61000-4-2 国际标准中规定的最高水平。此器件高度集成，采用易于布线的 DSV 封装，可对音响主机、USB 集线器和媒体接口等 应用 中的 USB 接口提供强力电路保护

该系列的电流限制具有反向电流阻断功能，并且是美国保险商实验室 (UL) 认可的组件 (UL2367)。它们还为数据引脚提供 IEC 61000-4-2(4 级)ESD 保护。这些器件通过减少器件数量和缩小印刷电路板 (PCB) 的整体占位面积来简化您的设计，以确保最佳的 USB 主机端口保护。