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保护 USB4® 避免 EOS 和 ESD

14 February 2022 / by Anindita Bhattacharya

Anindita Bhattacharya

保护 USB4® 避免 EOS 和 ESD我们生活中随处可见的一种连接端口名为通用串行总线,简称 USB。无论是技术专家还是电脑小白,生活中都离不开 USB。我妈妈甚至不知道它叫 USB,但依然每天使用这个端口为她的移动设备充电。USB 使用简便、数据传输速率快,因此广受欢迎。二十多年以来,不管是笔记本电脑与相机,还是智能手机与可穿戴设备,几乎所有的消费电子产品都配备一个或多个 USB 接口。然而,USB自问世以来,变化巨大。在超过 25 年的时间里,USB 规格从 1996 年的 USB 1.0 发展到最新版本 USB4®。下图 1 所示为 USB 标准的演变以及相应的数据传输速率。

Figure 1: Evolution of USB standardsFigure 1. Evolution of USB standards

USB 通信协议不断发展,以支持超高速通信和不断提高的电力传输水平日益增长的需求;USB 连接器类型也不断进化,以满足主机器件及其创新功能的需求。与之前的版本 USB 3.2 和 Thunderbolt 3 一样,USB4 也通过使用 USB Type-C® 连接器提供令人叹绝的功能。基本上,USB Type-C 是连接器,USB4 是通信协议。广受欢迎的 USB Type-C 端口根据 USB3.x 和 USB4 协议传输数据,经常会受到电气过载 (EOS) 和静电放电 (ESD) 事件的影响。随着数据速率达到更高水平,与前几代 IC 相比,使用更精细的硅几何形状实现这些数据速率的 IC 对 EOS 和 ESD 事件更加敏感。因此,必须很好地保护 USB Type-C 端口免受 ESD 威胁的危害。本博文详细介绍适合使用 USB 通信标准的 USB Type-C 连接器的保护解决方案。

USB4 规格

USB4 规格包括通过双通道操作实现高达 40Gbps 的数据传输。数据在两组四个双向引脚对之间传输。USB Type-C 连接器可以正面朝上或朝下插入,并且由上下两侧相同的一组 12 引脚组成,共 24 个引脚。四个引脚(Tx1+、Tx1-、Rx1+、Rx1-)用两个差分对创建一个通道,另外四个引脚(Tx2+、Tx2-、Rx2+ Rx2-)用另一组两个差分对组成第二个通道。引脚配置如图 2 所示。这种双通道配置以每通道 20Gbps 的速度传输数据,在使用两个通道时速度可达 40Gbps。

USB4 规格的另一个独特功能是支持第三方协议,例如交替模式(Alt 模式)下的 DisplayPort 2.0。在 Alt 模式下,USB Type-C 连接器可以直接连接到 DisplayPort 器件并传输显示信号,无需任何额外的电路。Alt 模式下的 DisplayPort 2.0 单独使用时最高可达 80Gbps,速度是仅用于 USB 数据传输的两倍。在 Alt 模式下,所有显示数据通过所有 8 条数据线(Tx1+、Tx1-、Rx1+、Rx1-、Tx2+、Tx2-、Rx2+、Rx2-)进入显示监视器。

Figure 2. USB Type-C receptacle & plug pin configurationsFigure 2. USB Type-C receptacle & plug pin configurations

保护 USB4 免受 EOS 和 ESD 影响

考虑到 USB Type-C 插头的微小尺寸及其引脚的紧密排布,如图 2 所示,分立式单线电路保护器件非常适合保护端口免受 ESD 和浪涌事件的影响。分立式 TVS 二极管也更便于设计人员进行布局和走线。

超高速 USB 数据传输线:在 USB4 标准中,发射器 (Tx) 和接收器 (Rx) 线支持高达 40Gbps 的超高速 USB 接口和交替模式的数据传输,分辨率高达 8K (7680 x 4320),刷新率为 60Hz。由于接口试图在传输大量内容时仍保持极高速度,因此选择合适的 ESD 防护器件至关重要。

我们每天在电子设备上插拔 USB 电缆。当消费者触摸或使用 USB 端口时,就可能并且经常会产生 ESD。这些 ESD 事件可以由用户(人体)或电缆上存储的电荷产生。因此,谨慎的做法是为 SuperSpeed USB 数据传输线提供足够的保护。

Semtech 的 RClamp®01211ZC 具有卓越的 ESD 保护特性,专为保护 SuperSpeed USB 差分线路而设计。它提供卓越的 ESD 防护,同时保持 0.17pF 的极低线间典型电容(图 3),确保信号完整性。RClamp01211ZC 在 10GHz 时提供 -0.25dB 的浅插入损耗,在 10GHz 时提供 -22dB 的回波损耗(图 3)。保持钳位电压尽可能低对于最小化 Rx、Tx 输入线上的压力至关重要。RClamp01211ZC 提供低于 4.2V 的钳位电压,动态电阻仅为 0.47Ω。它的封装也是非常紧凑的 0201 (0.6 x 0.3 x 0.25mm) 封装。

Figure 3: Typical Characteristics of RClamp01211ZCFigure 3. Typical Characteristics of RClamp01211ZC

图 4:USB4 应用的 Tx、Rx 线路保护           图 4. USB4 应用的 Tx、Rx 线路保护

此外,在 USB4 应用中,Rx 和 Tx 差分线都需要一个交流耦合电容器。这样,主机和连接器之间只有交流信号耦合,没有直流电流可以流过。此外,它还可以存储 ESD 电流,直到在 VBUS 短路的情况下将功率耗散到地。对于 Rx 差分线路,应将 TVS 二极管放置在电容器的收发器侧。TVS 二极管放置在发射器和 Tx 线上的交流耦合电容器之间。图 4 所示为 RClamp01211ZC 的连接图,同时保护符合 USB4 标准的 USB Type-C 连接器中的 Tx、Rx SuperSpeed USB 差分线。

VBUS 引脚:另一个关键考虑因素是功率传输。与之前的 USB 规格一样,USB4 支持供电 (USB-PD)。如果主机和外围设备都有可用的 USB-PD 选项,则 USB Type-C 可以提供高达 100W 的功率。使用 USB-PD 时,外围设备可以选择高达 20V 的 VBUS 电压,最大电流为 5A。如果任何应用都不需要 USB PD,则 VBUS 可以支持 5V3A,可传输的功率达 15W。自然而然地,VBUS 引脚的安全性就需要使用工作电压高于 20V、快速响应、低钳位电压的 ESD 防护器件来保护 VBUS 引脚。低电容不是 VBUS 线的考虑因素,因为它通常对附加电容不敏感。

新型 SurgeSwitch™TDS2211P 器件非常适合保护 USB Type-C 连接器的 VBUS 引脚。SurgeSwitch 不使用传统的 PN 结 TVS 二极管进行保护,而是使用额定浪涌 FET 作为主要保护元件,用作压控开关。该电路在保护 USB 接口免受 ESD 和 EOS 事件影响方面具有显著优势。这里值得一提的一个优势是在额定峰值脉冲电流范围内几乎恒定的钳位电压(图 5)。钳位电压在工作温度范围内也保持稳定。另一个显著优势是 TDS2211P 的钳位电压至少比传统 TVS ESD 保护器件低 30%(图 6)。TDS2211P 具有 22V 的工作电压,可在 ESD 和浪涌事件期间保护 USB-PD 控制器。它具有 25V 的最小击穿电压和 40A 的峰值脉冲电流 (tp=8/20us)。TDS2211P 提供符合 IEC 61000-4-2 (ESD) 规范的 ±30kV(空气)、±30kV(接触)瞬态保护。该芯片采用 DFN 封装,标称尺寸为 1.6 x 1.6 x 0.55 mm。

Figure 5. Ipp vs. VClamp in TDS2211P

Figure 5. Ipp vs. VClamp in TDS2211P

Figure 6. Lower clamping voltage of TDS2211PFigure 6. Lower clamping voltage of TDS2211P

D+/D- Differential Lines: D+/D- lines are used for USB 2.0 interfaces. D+ and D- pins carry a differential 480Mbps data signal, and the voltages on these differential lines can reach 5V under normal operating conditions. D+/D- lines can be protected by using Semtech's RClamp4041ZA (Figure 7). RClamp4041ZA is a 4V TVS diode. It provides a low typical junction capacitance of 0.53pF, low dynamic resistance of 0.07Ω and up to 20A peak pulse current (tp=8x20us) capability in a tiny 0201 (0.6 x 0.3 x 0.25mm) package.

CC、SBU 和 VCONN 引脚:USB Type-C 的配置通道 (CC) 引脚在 USB4 协议中发挥着重要作用。CC 引脚允许 USB Type-C 作为双重电源端口工作,以建立和管理两个连接端口之间的源和接收器连接。

插座中有两个 CC 引脚,插头中有一个 CC 引脚,用于检测插头方向并建立 USB4 数据总线通信。另一个未使用的 CC 引脚用作 USB Type-C 电子标记电缆 (EMC) 的 VCONN 引脚。EEMC 需要一个 VCONN 引脚来为电缆内的标记电子设备供电(5V、1W)。如果电缆没有电子标记,则电缆内部没有电子设备,也不需要 VCONN 引脚来供电。在这种情况下,VCONN 引脚保持浮动在 USB Type-C 插头上。

USB Type-C 中有两个边带使用 (SBU) 引脚。SBU 是 DisplayPort 和其他数据信号在 Alt 模式下工作的辅助通道。在 USB4 协议中,它们被称为 SBTX 和 SBRX。SBTX 是 USB4 控制器的串行发送信号,SBRX 是 USB4 控制器的串行接收信号。SBTX/SBRX 在 USB4 中用于主机器件和外设之间进行通信、初始化数据线、交换器件管理信息、控制数据等。通过 SBTX/SBRX 使用速度为 1Mbps 的 UART 信号。

参考图 2 中的引脚配置,我们可以看到 CC/VCONN 和 SBU 引脚紧挨着 VBUS 引脚。使用 USB-PD 的话,VBUS 引脚电压可以达到 20V。因此,如果发生短路,CC/VCONN 引脚和 SBU 引脚将暴露于 20V 电压,可能会损坏系统。Semtech 的双向 TVS 二极管 µClamp®2011ZA 是保护 CC/VCONN 和 SBU 引脚的完美解决方案(图 7)。根据 IEC 61000-4-2 标准,µClamp2011ZA 能够承受 ±30kV(空气)和 ±22kV(接触)电压范围内的高 ESD,并保持 20V 的工作电压。0.46Ω 的低动态电阻和 22V 的最小反向击穿电压确保了针对瞬态事件的系统级保护。典型的结电容仅为 10pF。µClamp2011ZA 采用行业标准的超小型 0201 (0.6 x 0.3 x 0.25mm) 封装。

图 7. USB4 通过 Type-C 端口的 ESD 防护图 7. USB4 通过 Type-C 端口的 ESD 防护

简化实施

Semtech 的电路保护品牌 Shield 为客户精心提供了一套优化后的解决方案,可应用于各种各样的接口和子系统。USB Shield 套件是一种有效的设计工具,可加快 USB 接口设计方案的实施。

结论

通过 USB Type-C 连接器实现的 USB4 规格已成为主导接口,能以 40Gbps 的超快速度传输数据,支持 DisplayPort 2.0,并使用 USB-PD 模式双向传输高达 100W 的功率。虽然升级后的 USB 标准提高了数据传输速度,并具有出色的视频质量以及更高分辨率,但 USB Type-C 端口暴露在高达数万伏的频繁 ESD 冲击下,很容易损坏 USB4 收发器敏感的 CMOS 结构。

因此,必须充分保护 USB Type-C 端口免受所有 ESD 威胁。USB4 规格也带来了一些独特的 ESD 和 EOS 挑战。Semtech 高效且值得信赖的电路保护产品,如图 7 所示,为世界上许多最流行的带有 USB4 接口的电子设备提供保护。任何用户都不希望电子设备因为任何瞬态事件而损坏。Semtech 的解决方案非常适合保护符合 USB4 规格的 USB Type-C 连接器,使消费者在使用其高性能电子设备时享受流畅、不间断的体验。

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Semtech、Semtech 徽标、RClamp 和 µClamp是 Semtech Corporation 或其附属公司的注册商标或服务标志,SurgeSwitch 和 SClamp 是 Semtech Corporation 或其附属公司的商标或服务标志。USB Type-C® 和 USB4® 是通用串行总线实施者论坛 (USB-IF) 的注册商标。

主题:电路保护

Anindita Bhattacharya

作者 Anindita Bhattacharya

Anindita Bhattacharya 是 Semtech 保护产品事业部的系统保护解决方案架构师。她也是圣何塞州立大学的兼职教授。

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