基于ESD的USB 3.0端口的保护方案设计

无处不在的通用串行总线(USB)接口即将迎接又一次换代，以便紧跟连接带宽需求不断增长的步伐。USB3.0或所谓“超高速USB”预计将在传输速度、电源管理和灵活性方面向前跨越一大步。USB 3.0的开发方向包括提供更高的传输率、提高最大总线功率和设备电流、提供全新的电源管理功能以及向下兼容USB2.0的新型电缆和连接器。而最显著的变化是新增了一条与现有USB 2.0总线并行的物理总线，见图1。

　　USB 3.0电流传输能力的提高强化了对全新电路保护方案的需求。一种协同电路保护手段将有助于在USB 3.0应用中防止因过流、过压和ESD(静电放电)瞬态而受损。

　　过流保护

　　USB 3.0通过两类器件供电：标准主控设备(A型连接器)和新型供电设备(Powered-B连接器)。新的SuperSpeed规范提高了流向USB设备的电流大小-从最大额定电流0.5 A提高至0.9 A。Powered-B连接器可以通过从两个额外连接器输送最高1.0 A的电流来对设备充电。

　　由于过流条件会影响电源总线，因此所有功率源(如主机和集线器)都需要进行过流保护。

　　新型Powered-B连接器的主要优势在于改善了便携性、方便性和功率效率。通过增加两个额外触点，新型连接器可以让一种电子设备为另一种电子设备提供高达1000 mA的电流。比如，打印机可以为一台无线适配器供电，这样就不再需要连接有线网络。

　　与USB 2.0类似，各型USB 3.0连接器都具备供电能力。USB3.0的单装置负载从USB 2的100 mA提高至150 mA。一台电子设备最多可以拖动6台装置(标准连接器和微型连接器每端口最高900mA)。标准USB 2.0连接器应用在USB 3.0中仍然不变。然而，尽管USB2.0集线器可以通过总线供电，但USB 3.0将不会提供这种选择，而只能通过自有电源供电。

　由于需要一个插孔端口对USB 3.0集线器应用中的所有连接器供电，因此该插孔上需要使用电路保护器件防止因过压事件受损，这类事件可能有非稳压电源、逆向电压或电压瞬态。图2表示了在VBUS上安装泰科电子PolyZen器件以及在该器件端口上安装六个小电容PESD器件的方法，帮助实现协同的过流/过压保护方案。

　　此外，对于支持USB充电的系统还需要具有大电流能力的过流保护器件。PolySwitch聚合正温度系数(PPTC)器件可以提供具有成本效益的USB过流保护方案。如图3所示，在VBUS端口上安装PolySwitch器件有助于防止因设备下游侧突然短路而造成的过流损伤并降低各种USB应用中需要的功率损耗。

　　过压保护

　　针对传统0.5A端口设计的USB过压保护器件不适合每端口0.9A的新USB规范。如果一台0.9A主机断开，将产生高感应电压尖峰，这会对仍然留在总线上的设备造成负面影响。设计完善的总线会吸收这种尖峰，防止设备与其接触。各种接口和充电系统都会因为使用不正确充电器、稳压不良的第三方充电器或者热插拔事件而使便携式电子设备面临受损的危险。虽然典型USB电源具有5V ±5%的稳压线路，但在特殊情况下，这些线路上的电压也可能大大超过5.25V。接口和充电系统也会产生负电压，导致未采取保护措施的外围设备受损。

　泰科电子的内部检测表明，热插拔引起的瞬态，尽管时间很短暂，但电压幅度却可能超过16~24V。内部检测还发现第三方充电器的开路电压超过了5V ±5%的USB规范要求。在所有USB受电设备，尤其是VBUS端口上安装过压保护器件(如PolyZen聚合体保护zener二极管器件)可以有效防止因电压瞬态而受损。对于USB 3.0设备来说，PolyZen器件可酌情置于USB输入端口、Power -B插头和母插孔电源端口上。

　　ESD保护

　　过压瞬态往往是ESD造成的，电源总线和数据总线上都可能出现。尽管现代集成电路可以抵御最高2000 V的电压，但人体本身却能轻易地聚集高达25000V的静电。在I/O端口保护应用中，数据线上需要具有快速钳位和恢复响应的极低电容ESD器件。

　　现有USB 2.0协议支持最高480Mbps的数据传输速率、即插即用、热插拔安装和运行。比较而言，USB 3.0规范支持的数据传输速率高达5Gbps，并向下兼容低速USB 2.0规范。

　　USB 3.0在连接上增加了四个新引脚来支持全新的SuperSpeed接口：USB3_TX (差分线对)和USB3_RX(差分线对)，如图4所示。

USB 3.0的SuperSpeed接口需要比USB 2.0电容更低的ESD保护。增加极低电容PESD器件可以减小插入损耗，满足USB 3.0的眼图要求。PESD器件的典型电容为0.2pF，超过6 GHz范围内插入损耗平稳，同时可以应对各种ESD瞬态。

　　与多数传统MLV(多层变阻器)或TVS(瞬态电压抑制)二极管技术相比，PESD器件具有更低的电容，而其低触发电压和低钳位电压也有助于保护敏感电子元件。该器件适用于USB2.0的高速D+和D-信号线和USB 3.0的SuperSpeed信号线。在电路保护设计方案中增加PESD器件可以实现满足IEC61000-4-2标准要求的保护水平，该标准规定接触模式为8kV (典型)/15kV(最大)，规定空气放电模式为15kV(典型)/25kV(最大)。

　　协同电路保护

　　协同电路保护设计可用于改善对USB应用中大电流、高电压和ESD瞬态的保护。图5和图6给出了USB 3.0设计方案需要的附加电路器件，并与USB 2.0设计方案进行了比较。

　　器件推荐

　　PolySwitch过流保护器件可以帮助设计人员满足USB 3.0规范的大电流要求并提供简单、节省空间的解决方案。PESD器件具有高速数据传输应用所需的低电容(一般为0.2pF)和电子行业最普遍的外形尺寸。PolyZen器件能为设计人员提供传统钳位二极管的易用性，又不需要大量的散热。这种单一器件有助于对使用不正确电源提供保护，也能防止因过流事件而造成损伤。

　泰科电子建议在ESD保护中使用以下器件：

　　USB 2.0高速D+/D-线和USB 3.0 SuperSpeed线：

　　● PESD0402-140 (EIA 0402规格)

　　● PESD0603-240 (EIA 0603规格)

　　5VDC线：

　　● PESD: PESD0402-140 (EIA 0402规格)，或

　　● MLV: MLV0402-120-E120、MLV0402-180-E030或

　　MLV0603-130M-C201

　　泰科电子建议在USB过流保护中使用的器件如表1所示。

　　泰科电子建议在所有USB受电设备上安装过压保护器件，特别是VBUS端口上，如表2所示。