USB ESD 保護元件之保持電流 Holding Current 比較分析

在高速介面（如 USB）中，選用合適的 ESD（靜電放電）保護元件對於系統的穩定性與可靠性至關重要。本文將透過比較兩款常見保護元件的保持電流，說明其在影響線路上 latch-up（鎖定效應）方面的差異，並進行風險評估。

一、技術背景與圖表說明

在 USB Low-Speed 與 Full-Speed 模式下，資料線（D+ 或 D−）上的邏輯電位定義如下：

依據 USB 規範，Full-Speed 裝置需透過 D+ 線偵測。相對地，Low-Speed 裝置則使用 D− 線進行偵測，因此可依上拉位置區分裝置速度。

USB Full-Speed 裝置接法（D+ 上拉）

• 裝置類型：Full-Speed USB Device（12 Mbps）
• 上拉電阻：1.5 kΩ ±5%，接於 D+ 線並拉至 3.3V，供主機偵測 D+ 高電位，以判定裝置為 Full-Speed。
• Host 或 HUB 配置：D+ 與 D− 線分別接有 15 kΩ ±5% 下拉電阻至 GND，為 USB host 偵測裝置連接狀態的標準配置。

USB Low-Speed 裝置接法（D− 上拉）

• 裝置類型：Low-Speed USB Device（1.5 Mbps）
• 上拉電阻：1.5 kΩ ±5%，接於 D− 線並拉至 3.3V，供主機偵測 D− 高電位，以判定裝置為 Low-Speed。
• Host 或 HUB 配置：同樣於 D+ 與 D− 線上接有 15 kΩ ±5% 下拉電阻至 GND。

偵測邏輯與電壓對應

當 USB 裝置接入後：

• 若 D+ 線為高電位，主機判定為 Full-Speed 裝置。
• 若 D− 線為高電位，主機則判定為 Low-Speed 裝置。

裝置端通常透過 1.5 kΩ 上拉電阻將資料線拉至 3.3V，使主機偵測到裝置已連接。

以 USB 允許的最大高電位 3.6V 為例，透過 1.5 kΩ 上拉電阻所產生的電流為：I = 3.6V ÷ 1500Ω ≈ 2.4mA

實際情況下，多數系統供電為 3.3V，對應電流約為 2.2mA。

二、圖示分析：Reverse Breakdown Voltage 對應 Reverse Leakage Current

此部分探討 TVS 元件在不同導通條件下的行為。

• 紅色與藍色線：代表同一型號元件。
• 綠色線：代表另一款元件。

導通過程（從 50mA 降至 0mA）

• 綠色曲線：當 ESD 事件觸發 TVS 並結束後，電流下降至約 1mA 時即低於導通維持電流（Vhold），但因 USB 供電電壓為 3.6V，搭配1.5 kΩ 上拉電阻可持續提供約 2.4mA 電流，足以維持元件導通。此情況下，TVS 仍處於導通狀態，導致資料線電位被拉低至 2V 以下，可能干擾 USB 傳輸，造成周邊設備無法正常運作。
• 紅色與藍色曲線：當 ESD 事件觸發 TVS 並結束後，若電流降至約 12mA 以下，便會低於元件所需的導通維持電流，導致 TVS 關閉。由於 USB 系統僅能提供約 2.4mA，遠低於所需電流，因此無法維持 TVS 持續導通。此時 TVS 結束導通，資料線電位可迅速恢復，不會干擾 USB 傳輸，系統可順利回復正常運作狀態。

啟動過程（從 0mA 增至 50mA）

• 紅藍線條顯示約在 7V 觸發導通，且需達 25mA 以上電流。
• 綠色線在 7V 時觸發，導通後電壓迅速回降至 2V 以下，僅需約 2mA 即可維持導通。顯示出其導通反應快速且穩定。

此外，若僅參考紅藍線與綠色線的 TLP 曲線，實際上難以準確判斷其 Holding Current（保持電流）之差異。這是因為圖中的 Y 軸以安培為單位，無法呈現較細微的電壓變化。若有進一步需求，建議可向 TVS 元件供應商索取更詳細的測試數據或應用建議。

紅藍線色線的 TLP 曲線

綠色線的 TLP 曲線

三、結論

透過對不同 TVS 元件保持電流（IH）特性的比較分析，可以清楚看出其對 USB 系統穩定性的影響。特別是在導通過程中，不同元件對維持電流的需求差異明顯：綠色曲線所對應的元件在電流降至約 1.7mA 時仍可保持導通，與 USB 提供的約 2.4mA 電流相符，因此在 ESD 事件後仍會繼續導通，可能造成資料線電壓被拉低至 2V 以下，干擾 USB 資料傳輸並影響周邊設備運作。而紅色與藍色曲線元件則需維持約 12mA 才能持續導通，當電流降至該值以下即會自動關閉，讓資料線電壓快速恢復，不會妨礙 USB 系統恢復正常運作。