适合USB4的静电浪涌保护设计

发布人：电巢时间：2022-12-24 来源：工程师发布文章

近年来各品牌电脑、手机都迈入搭载USB-C接口行列。这对于厂商和用户来说无疑都是一大好消息！据了解，USB4协议将基于Thunderbolt 3协议进行开发，这将使得USB-C接口的兼容性大大增加。

从USB4的标准来看，统治长达几十年的Type-A可能正在走向消失，虽然USB4来的可能没有那么快，但预计未来5年内会登陆PC，届时更为方便的Type-C将会广泛出现在产品上，Type-A也就慢慢消失了

实际上，从传输速率上看这次USB4 会非常符合未来5G的需求。众所周知，5G将会在传输、运营商业务等方面有巨大的进步，这次的USB4 显然将会非常契合5G网络，USB4控制器必须采用先进的半导体制造技术来制造。但是，这也导致ESD容忍度大大降低。

什么是USB4?

USB4内置于USB Type-C的物理接口中。除了将最大数据速率提高到40 Gbit / s，USB-C PD还能以高达100W的功率对设备快速充电。在不久的将来，USB Type-C将迅速成为大多数消费电子产品（如台式机，笔记本电脑，平板电脑和智能手机）的主流接口。

USB4总受静电干扰

与传统的USB一样，USB4端口也是可见的，用户可以自由地将设备连接到系统或从系统断开连接。最常见的应用是即插即用。但是，热插拔操作通常是导致电子系统崩溃的原因，甚至会导致USB Type-C控制器损坏，因为此类事件可能会导致意外的噪声瞬变，例如ESD。在热插拔中，带电信号线作为接口端口处的带电电线在与系统接触时会放电。由热插拔触发的这种放电（通常称为"直接放电"）与静电放电相同，会严重损坏系统。在系统级ESD测试中，

在系统级ESD测试方面，一些品牌制造商甚至指定安装在其产品上的USB Type-C连接器应通过Direct-Pin Injection测试，以通过除IEC 61000-4-2标准以外的±8kV接触放电的ESD冲击。因此，绝对有必要在USB Type-C接口上使用ESD保护，以防止ESD引起的数据传输干扰。

电子产品已迅速到达世界各个角落。但是，许多地区的基础设施薄弱和极端天气事件增加了EOS（电应力过大）电涌对电子设备造成损害的可能性，从而导致报告收益显着增加。IEC 61000-4-5已被用作国际测试标准，以模拟由电源干扰，电源线上的噪声或热插拔引起的EOS事件，电压波形为1.2/50μs，电流波形为8/20μs。除了将直接放电作为内部ESD测试方法之外，一些品牌制造商还包括用于EOS浪涌测试的方法。

对于USB4等高速接口，选择ESD / EOS保护组件时需要考虑以下几点：

1.为了确保通过USB4传递高速信号完整性，选择该器件时需要使用具有较低寄生电容的ESD保护组件。推荐使用低于0.2pF的寄生电容。

2.选择一种具有高ESD耐电压能力的保护组件，至少要承受IEC 61000-4-2中规定的8kV接触放电的ESD冲击。

3. ESD钳位电压是必不可少的参数。较低的钳位电压表示更好的保护性能。这意味着将ESD能量钳位到较低的电压，以防止干扰或损坏系统的内部电路。这使得钳位电压成为限定ESD保护组件效率的最重要参数。

USB PD的充电技术支持5V，9V，15V和20V四个电压等级。但是，频繁的热插拔到电源很容易引起ESD / EOS静电浪涌事件，因此有必要针对外部浪涌优化ESD / EOS保护解决方案。

适合USB4的ESD器件

雷卯电子根据客户需求，研发ESD推出型号ULC0511CDN，尤其是USB4。为了避免寄生电容限制差分信号在USB4上的传输，ULC0511CDN的寄生电容低于0.2pF，从而成功通过了40 Gbit / s的眼图测试。最好的部分是ULC0511CDN具有极低的ESD钳位电压，能够在直接引脚注入测试中有效地协助USB4接口承受±8kV ESD冲击（接触放电）。通过TLP测量的ULC0511CDN的电流-电压曲线表明，在IEC 61000-4-2中规定的8kV接触放电的ESD冲击下，钳位电压很低（等效的TLP电流约为16A），可以有效避免数据错误，

随着更轻，更薄，更小的电子产品的发展趋势，印刷电路板（PCB）也不断缩小。在功能强大的要求下，在小型PCB上的电路布局变得更加复杂和困难，并增加了产品设计挑战。带有超小封装DFN1006的ULC0511CDN的尺寸仅为1.0mm x 0.6mm，主要用于保护USB4上的4个差分对（TX和RX）。此外，使用单个ULC3344P8能够保护其余的信号线（D + / D- / CC / SBU）。特别是，ULC3344P8的引脚配置为交错排列，以便于PCB布局上的穿通设计，从而避免布线困难。它不仅可以加快设计阶段的PCB布局设计流程，而且最小化PCB尺寸以降低系统成本。该接口还提供快速充电。工程师可能只需要在电源端口上从SD0571P6W，SMDA05CCN中选择合适的EOS组件作为保护即可完美保护接口免受ESD / EOS事件的影响。

下图显示了用于USB4接口完整布线的ESD / EOS保护解决方案。