一、USB接口为什么要做静电保护？
USB接口常常跟外部线缆、充电器、电脑、扩展坞以及用户手部相接触, 它身为整机里最轻易遭受静电冲击的端口中的一个。静电自连接器进入以后, 有可能性顺着D+ 、D- 、SuperSpeed差分线、CC 、SBU或者VBUS进入到后级芯片, 致使通信出现异常、枚举遭遇失败、出现死机、产生复位, 若是情况严重的时候会造成接口芯片损坏。
核心思路在于使USB接口静电得到保护, 那便是, 在静电进入主控芯片以前, 运用适宜的ESD保护器件, 将瞬态电流迅速泄放到地, 与此同时, 尽可能地减小保护器件对高速信号所造成的影响。对不同USB版本而言, 不同线路, 不同工作电压, 对应的ESD选型重点并非相同。
二、不同USB线路的选型重点
USB线路
主要风险
选型重点
D+ / D-
静电冲击、通信异常
选择适合5V信号的ESD器件，兼顾电容和钳位电压
SuperSpeed差分线
眼图劣化、插入损耗增大
优先选择低电容或超低电容ESD阵列
CC / SBU
插拔识别异常、协议异常
根据工作电压、通道数量和封装空间选型
VBUS
浪涌、过压、瞬态冲击
结合TVS、保险丝、电容和电源路径综合设计
外壳/屏蔽层
共模干扰、接地回流异常
根据结构地、系统地和EMC要求设计泄放路径
三、USB接口ESD选型看哪些参数？
首先, 去查看反向工作电压VRWM。用于保护的器件的VRWM 应当比被保护的线路的正常工作电压要高, 以此来防止正常工作期间出现异常漏电的情况。D+与D-以及高速数据线一般是依据信号电平来进行选择, 而VBUS则需要依照5V 、快充电压又或者是系统的最高工作电压去单独进行评估。
其二, 查看结电容Cj, USB2.0普通数据线对于结电容的要求, 比USB3.0以及更高速接口那样的要低, SuperSpeed差分线应当优先去选择低电容或者超低电容的ESD器件, 防止对眼图、插入损耗以及阻抗连续性造成影响。
首先, 看钳位电压VC, 其次, ESD器件的钳位电压, 应当低于后级芯片能够承受的瞬态电压范围, 最后, 实际钳位效果, 同ESD到地路径、走线长度以及过孔数量相关, 是这样的。
第四点方面, 要看其封装状况以及通道数量, USB接口空间存在限制情况, 可以看到常常用的是DFN、SOD小封装以及多通道ESD阵列这样子的, 而多通道阵列状况适宜差分线集中给予防护，单颗的小封装适合空间处于分散状态或者是对单线进行保护。
四、常见USB接口选型建议
应用场景
推荐方向
注意事项
USB2.0普通数据口
小封装ESD或双通道ESD
关注VRWM、VC和常规结电容
USB3.0高速接口
低电容多通道ESD阵列
优先控制Cj、走线分支和差分对称性
USB Type-C接口
按VBUS、CC、SBU、高速线分区保护
不能把电源线和高速线按同一标准选型
工业USB接口
ESD与浪涌防护组合
关注外部长线、接地和测试等级
车载USB接口
ESD、TVS、EMI器件综合配置
关注车载环境、线束和抗扰测试
五、PCB布局要点
处于USB接口的ESD器件, 应当靠近连接器去放置, 以便使静电电流在进入板内之前, 能够先被泄放掉。用于保护的器件到地的路径, 需要短、宽、直, 要尽可能减少因长走线以及细走线所带来的寄生电感。
对于USB3.0的差分线以及比其速度更高的差分线而言, ESD器件的引出支路需要尽可能地短，差分对得保持对称状态, 要避免出现长的分叉情况以及不必要的过孔。VBUS线路的保护器件应当与电源路径、电容、保险丝还有后级电源芯片一同进行布局, 以此避免浪涌能量直接对系统内部产生冲击。
六、阿赛姆可提供哪些支持？
阿赛姆能够给予低电容ESD的相关选型支持, 能予以提供ESD阵列、TVS、拥有共模电感磁珠等USB接口所关联器件的选型支持, 并且可以根据项目接口当中的速率、工作电压、空间尺寸、ESD等级及测试结果, 为客户把USB接口防护方案设计协助从而予以完成。
出现USB接口静电测试失败, 出现插拔异常, 出现通信不稳定, 同时出现高速信号眼图异常时, 建议提供原理图, 建议提供PCB局部截图, 建议提供接口类型, 建议提供测试等级, 建议提供失效现象, 进而以便进一步判断是器件参数问题, 是放置位置问题, 是接地路径问题, 还是信号完整性问题。
七、答疑
问：USB接口所有线路都可以用同一种ESD管吗？
答: 不建议这么做。因为VBUS、CC、SBU、D+、D-以及高速差分线的电压要求不大相同, 速率要求不一样，电容要求也存在差异, 所以应该分线路来进行选型。
问：USB3.0接口为什么要用低电容ESD？
答: USB3.0高速环境当中, 差分线对信号完整性对其敏感, 倘若结电容过大, 这种过大就会致使插入损耗增加起来, 甚至还会影响到眼图。
问：ESD器件离连接器远一点可以吗？
答: 不建议这么做。因为距离要是越远的话, 那么静电就越有可能先进入板内走线, 之后再进入后级芯片, 如此一来保护效果就会下降。
