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ESD保护时怎样维持USB信号完整性
来源：不详 作者：佚名日 14:14
[导读] ESD保护时怎样维持USB信号完整性
ESD保护时如何维持USB信号完整性
ESD保护二极管的电容量及其对USB2.0高速信号的影响
ESD保护时怎样维持USB信号完整性
ESD保护时如何维持USB信号完整性
ESD保护二极管的电容量及其对USB2.0高速信号的影响
解决方案：
其它元器件可能会增加大量的电容，造成信号质量进一步下降
合适的ESD方案能保护敏感线路，又不增加会导致信号质量降低的电容的挑战
USB2.0的数据传输率达480Mbps。手机、MP3播放器和其它电子产品中，通用串行总线(USB)已经成为一项流行特性。USB使得数据在不同电子设备之间的传输更快更方便，对于那些使用USB2.0端口的产品而言尤为如此。
随着常见文件的大小持续增加，高数据率也变得越来越重要。在这种等级的数据率，为数据线路增加任何电容都可能造成信号波形失真，导致数字数据传输的中断和/或故障。这就对USB2.0接口上使用的静电放电(ESD)保护器件提出了更高的要求。ESD保护器件在正常数据传输期间必须对信号保持透明状态，而在系统级ESD兼容性测试或应用现场中遭受实际ESD事件时，必须使受保护对象免受损伤或干扰。如今，设计人员面对着需要找到合适的ESD保护解决方案，既能保护敏感线路，又不增加会导致信号质量降低的电容的挑战。USB2.0眼图可以使用眼图来评估增加电容对带宽和信号质量的影响。眼图提供最低及最高电压电平以及信号抖动的数字信号。眼图将能够暴露出USB数据传输完整性方面的任何问题。通过在示波器的垂直轴对数字信号进行反复采样、同时采用相应数据率对水平时间扫描进行触发来生成眼图。所获得的图形看上去象眼睛，如图1所示。“眼睛”越大，数据完整性越高。通常采用模板(mask)来对可接受的信号质量进行定义。这模板由“眼睛”中间的六角形和“眼睛”上、下的矩阵组成。如果测得的信号迹线穿越模板的边线，那么信号质量就不可接受。USB2.0信号模板规范由USB应用者论坛(USBIF,www.usb.org)提供，可参见USB2.0版规范第7.1.2.2章节。图1中显示了带有详细临界点的眼图。图1、USB2.0眼图不同电容范围保护器件的眼图评估。我们采用480Mbps数据率的USB2.0信号，测量了具有不同电容范围的三种不同保护器件的眼图，并将其与USB2.0模板进行比较。我们还评估了不带保护器件的电路板，用于比较和参考。通过将不同保护器件的眼图与没有保护器件的眼图进行比较，可以展现出由保护器件导致的信号衰减程度。需要说明的是，本文仅考虑ESD保护二极管的电容量及其对USB2.0高速信号的影响。在实际设计中，线路上的其它元器件或电路板本身也可能会增加电容。图2、没有保护器件所测得的眼图图2显示的是没有保护器件时的测试信号。这代表了没有信号衰减的纯粹USB2.0高速信号，因为线路上没有另外增加电容。
图3显示的是增加了0.5pF电容ESD保护器件(安森美半导体超低电容ESD器件ESD9L5.0ST5G)的USB2.0高速信号眼图。这眼图反映出信号没有重要变化或区别。这0.5pF电容ESD器件由于电容值是如此之低，对数据信号完整性的负作用可以忽略不计。这就为设计人员提供了极佳的ESD保护选择，具有最高的灵活性，将电容预算留给增加其它元件。图3、增加ESD9L5.0ST5G0.5pF电容ESD器件所测得的USB2.0高速信号眼图。下一项测试采用的是6.0pF电容的ESD保护器件(安森美半导体ESD9C5.0ST5G)，见图4。由于电容增加，与没有增加电容的测试相比，可以从眼图观察到信号质量明显下降。主要的下降体现在上升时间和下降时间的增加。图4所示的眼图看上去可以接受，但也显示出保护器件占用了极大部分的电容预算。在大多数设计中，设计中的其它元器件可能会增加大量的电容，造成信号质量进一步下降。这6.0pF电容ESD保护器件将需要在最终系统设计中进行测试，以确保它仍然可以接受，并在增加其它元器件的情况下能够满足兼容性要求。图4、ESD9C5.0ST5G6pF器件，其中箭头重点说明了采用较高电容器件时开始出现信号质量下降。最后测试采用65pF电容ESD保护器件(安森美半导体ESD9X5.0ST5G)来进行，见图5。这眼图显示信号质量退化严重，上升和下降时间显示增加。信号迹线穿越USB2.0眼图模板，显示这保护器件不能用于USB2.0应用。ESD9L5.0ST5G的超低电容(0.5pF)为USB2.0高速应用提供了最佳的半导体ESD保护器件设计选择。上述眼图研究显示ESD9L5.0ST5G对逻辑电平的影响极低，并且不会使上升时间和下降时间出现失真。除了对数据信号传输没有干扰，这器件还拥有高于8kV的ESD额定电平，为设计人员提供极佳的ESD保护器件选择，不仅能够提供所需的ESD保护，同时还维持信号完整性。
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USB 3.0 的电路保护方案
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如图所示，SL的模拟接口是通常的两线电话线，而且线路基本都会出现在室外，同时由于SLIC本身的一些特性，对外界的干扰比较敏感，因此对SLIC芯片进行相应的保护是必不可少的。
1、TIP，RING即为电话线接口，以RJ11的形式为主。
2、气体放电管（LT-B3R230L），由于其允许瞬间的可达20KA，一般作为雷击的第一级保护，但反应时间相对较慢；
3、Multi-fuse，可恢复保险丝，主要是防止线路过流；
4、TISP，Thyristor Surge Protector，晶闸管，反应时间较快，允许的瞬间电流值为几十到几百安培；
5、TISP61089，TISP9110，可编程晶闸管，以SLIC的最高负为参考电压，灵活而有效的保护SLIC。
以上是一个完整的SLIC保护系统，但根据客户使用的SLIC型号和需要通过的测试等级不同，可以对某些器件进行相应的删减或调整，并不是所有的保护器都需要用到。 针对各家SLIC芯片的不同型号，不同的测试标准，浪拓电子都能提供相应的完整方案，在减少客户工作量的同时保证SLIC接口的可靠性。
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USB 3.0的电路保护方案
USB 3.0的电路保护方案
最新USB 3.0协议(或&SuperSpeed USB&)被开发用于提供更高的数据传输速率，并通过支持每个端口上的更高电流水平提高供电能力。它包含新的电源管理功能，以及可向后兼容USB 2.0设备的新电缆和连接器。最显著的变化是，4条附加的铜数据线被平行地增加到现有的USB 2.0总线中(如图1所示)。这些附加的铜数据线被用来传输超高速数据，但也会传输ESD(静电放电)和
最新USB 3.0协议(或&SuperSpeed USB&)被开发用于提供更高的数据传输速率，并通过支持每个端口上的更高电流水平提高供电能力。它包含新的电源管理功能，以及可向后兼容USB 2.0设备的新电缆和连接器。最显著的变化是，4条附加的铜数据线被平行地增加到现有的USB 2.0总线中(如图1所示)。这些附加的铜数据线被用来传输超高速数据，但也会传输ESD(静电放电)和其它有害的瞬态电压。
图1：修订后的USB 3.0协议增加了一条双单工数据通道。
USB 3.0增加的电流和供电能力意味着需要新的电路保护方案。经过改进的电路保护方法可以帮助保护USB 3.0应用免受过流、过压及ESD瞬态电压带来的损害。
USB 3.0通过两个部件提供电源：一个标准的主机(A型连接器)以及一种新型供电设备(Powered-B连接器)。最新SuperSpeed规范提高了可供给USB设备的电流总量(从0.5A提高到0.9A)。新的Powered-B连接器允许一个USB设备以高达1.0A的电流给另一设备充电。由于过流状态会影响电源总线，所有的电源(如主机、集线器和Powered-B设备)都必须提供过流保护。过流保护也是UL60950标准所要求的。
与USB 2.0类似，所有类型的USB 3.0主机必须提供电源。USB 3.0的单个单元负载重定义为150mA，比USB 2.0的100mA略有增加。现在，一个USB 3.0主机必须能够每端口支持多达6个单元(900mA)。此外，USB 3.0集线器可能不再需要总线供电了。所有USB 3.0集线器现在必须每个端口都能够支持900mA的电流。
此外，支持USB充电和USB 3.0的系统需要能承受更高电流的过流保护器件。USB充电器规范采用与USB 2.0相同的引脚配置，但允许更高的电流(每端口高达1.5A)。
最后，USB 3.0定义了一种新的Powered-B连接器，其主要的好处是更好的便携性。Powered-B连接器允许去除USB电缆和额外的电源。使用Powered-B连接器的USB设备现在可为另一USB设备供电。通过提供两个额外的接插口，新的连接器可使一个电源(带有Powered-B连接器插座)能向另一设备(带B型供电连接器插头)提供高达1000mA的电流。例如，一台打印机可给一台无线适配器供电，从而无需一条有线USB连接。
在所有这些应用中，高分子聚合物正温度系数器件(PPTC)为USB过流保护提供了最具性价比的解决方案。PPTC器件可用于USB 3.0主机应用、USB 3.0集线器应用、USB充电器应用，以及USB 3.0 Powered-B连接器应用中的电流限流保护。在USB电源的VBUS端口安装的PPTC PolySwitch器件可在短路时限流，防止因下游电路突然短路造成的过流损坏，并有助于实现UL60950标准。
USB电源端口上的过压保护
尽管USB定义了电源总线，但这并没有消除与过压相关的风险。过压事件可由一系列失效条件导致，包括用户错误、稳压很差的第三方电源、热拔出事件和电感瞬变等。接口和充电系统也会产生负电压，这会导致未受保护的外部设备受损。尽管USB 2.0 电源的标称误差为5V&5%，但许多采用USB 2.0接口的大规模系统仍被设计成可承受16V甚至28V电压(连续)。
由于USB 3.0提高了正常工作电流及其上限，因此，针对传统0.5A 端口设计的过压保护器件可能就不太适合用于保护新的每端口0.9A的USB 3.0接口。当一个0.9A主机拔出时，高压感应尖峰就会产生，它可能会损坏总线上的其它设备。一个设计良好的总线将能吸收这些尖峰电压，从而保护设备免受尖峰电压的损害。
泰科电子的内部测试显示，热插拔引起的瞬态电压尽管非常短暂，但电压值可超过16～24V。内部测试还发现，开路电压大幅超过USB规范要求(5V&5%)的第三方充电器，可能对敏感的电子设备构成威胁。将过压保护器件(如PolyZen聚合物保护齐纳二极管器件)放置在所有USB供电设备的电源输入端(特别是在VBUS端口)，有助于保护设备免遭过压事件造成的损坏。
对于USB 3.0设备，PolyZen器件可安装在USB输入端口的VBUS上、Powered-B插头的DPWR端口、桶形插座电源端口、以及USB集线器的VBUS输入端。
必须注意，USB 3.0不再支持总线供电集线器而仅支持自供电集线器。在USB 3.0应用中，需要一个电源来为集线器的所有端口供电。如果在集线器的输入端使用一个直流电源连接器，那么就必须安装一个电路保护器件来保护集线器免受过压事件的损害，如未稳流或错误电源、反向电压和瞬态电压。
图2显示了如何在VBUS上安装PolyZen器件以及在一个典型USB电路上安装6个低电容值PESD器件，才能帮助提供综合过压保护方案。
图2：综合的设备侧过压保护解决方案。
瞬态过压经常是由ESD引起的，它可能会出现在电源总线和数据线上。尽管现代IC可对抗高达2000V的高压，但人体很容易产生出高达25000V的静电。在I/O端口保护应用中，数据线上的ESD器件必须具备以下特性：快速箝位、快速恢复响应和极低电容值。
现有的USB 2.0协议允许高达480Mbps的数据传输速率，并支持即插即用、热插拔安装和运行。与之相比，USB 3.0规范允许高达5Gbps的数据传输速率，并向后支持较低速的USB 2.0规范。
USB 3.0增加了4个接到连接器的新引脚，以支持新的SuperSpeed接口：USB3_TX(差分对)和USB3_RX(差分对)。
USB 3.0的SuperSpeed接口与USB 2.0相比，要求更低电容值的ESD保护器件。增加极低电容值的PESD器件可以帮助最小化插入损耗，以满足USB 3.0的眼图要求。凭借0.2pF的典型电容值和大于6GHz的平坦插损区域，PESD器件能够支持USB 3.0应用的要求，并处理大量ESD瞬态电压冲击。
与大多数传统的MLV(多层变阻器)或TVS(瞬态电压抑制器)二极管技术相比，PESD器件可提供更低的电容值，而且其低触发和低箝位电压也有助于保护敏感的电子元件。PESD器件适用于USB 2.0高速D+和D-信号线以及USB 3.0 SuperSpeed信号线的ESD保护。在电路保护方案中增加PESD器件可提升保护级别，从而满足IEC规范要求。该规范规定接触模式的ESD测试标准是8kV(典型)/15kV(最大)，空气放电模式的ESD测试标准是15kV(典型)/25kV(最大) 。
图3：一个综合的USB 3.0电路保护方案。
综合电路保护方案
在USB应用中，一个综合保护方案可用来增强对高电流、高电压和ESD瞬态电压冲击的保护。图3和4显示了适用于USB 3.0和Powered-B连接器设计的电路保护器件。
图4：针对USB 3.0应用中最新Powered-B连接器的综合电路保护方案。
PPTC过流保护器件可帮助设计师满足USB 3.0规范的新的大电流要求，并提供一种简单的、节省空间的限流解决方案。PESD器件可提供高速数据传输应用所需的低电容值(典型值0.2pF)，并可提供目前电子工业最流行的外形尺寸。PolyZen器件既可为设计师提供传统箝位二极管的简单性，又消除了持续过压所需的大型散热片。该器件可保护设备免受因使用不正确的电源、瞬态电压和其它因用户错误而引起的损害。
型号/产品名}