USB Type-C接口的 ESD 防护

關鍵字 :Semtech Type-C 接口防护

在我们的日常工作和生活中，这样的场景很常见：电脑上没有多余的USB端口，但又需要这样的接口来连接自己的所有个人设备。大多数时候，我们都带着手机、智能手表、无线耳机等，这些设备都只能通过 USB 端口充电。使用电脑时，我们经常会使用USB 移动闪存驱动器（简称 U 盘）来传输文件。在车里给手机充电时，我们会使用标准的USB 端口。USB 在我们的日常生活中无处不在，参与我们的每一次数字体验的一部分。

作为最新款连接器之一的USB Type-C，在物理尺寸以及与主机和外围设备的连接方式方面，都明显不同于以前的版本。USB Type-C采用可正反插设计，总共24 个引脚，上下各 12 个引脚，支持朝上或朝下插入。在数据传输方面，USB Type-C 最高支持10Gbps 的传输速率，还能在 USB PD模式下实现高达100W 的充电。虽然旧版 USB 的5V VBus 电压仍然受支持，但若使用 USB PD，外围设备可以选择高达20V 的 VBus 电压。最大电流增至5A，可实现 20x5=100W 的最大输出功率。借助USB PD 功能，设备能以更快的速度充电，因此，采用USB Type-C为手机、无线耳机、无人机和一些新型笔记本电脑充电大受欢迎。如果没有USB PD的应用需要，VBus 可以支持5V / 3A 15W 的输出功率。USB Type-C还可以兼容 USB 2.0 和 USB 3.0 和常用显示协议，如DP和HDMI，可以在Alt模式下，通过接线末端增加接口适配器以实现兼容。

图1：USB Type-C 引脚配置

USB Type-C 引脚配置

图 1 展示了USB Type-C引脚配置：两个差分对（D+ 和D-）、四对 SuperSpeed+ 发射器和接收器数据总线（Tx+/Tx- 和Rx+/Rx-）、两个配置通道 (CC) 引脚、两个边带使用(SBU) 引脚、四个 VBus 引脚和四个接地引脚（参见表1）。

表1：USB Type-C 引脚配置

SBU 引脚对应低速信号路径，用于备选模式（Alt模式）的运行。在 Alt 模式中，USB Type-C直接连接到HDMI 或 DP 设备，通过USB Type-C 数据线传输显示信号。USB Type-C的这一功能支持在一个微型可正反插端口中使用多种流行的数据传输系统，而且无需额外的电路。

配置通道 (CC) 引脚对应的是通信以及插头方向和连接管理的配置。电源输出 (USB PD) 选项的通信通过CC 引脚（又称 VCONN 引脚）完成。USB Type-C 端口中有两个CC 引脚，一个用于方向检测，另一个则用于启动电源输出。

USB Type-C 的 ESD 防护

保护 USB 接口不受静电放电 (ESD) 的影响十分重要。我们每天会数次在电子产品上插拔USB 数据线，在触碰或使用 USB 端口时，便可能遇到静电放电，这种情况十分常见。这些ESD 事件既可以由用户（人体）产生，也可以由数据线上存储的电荷产生。静电峰值电压可以达到数万伏，很容易损坏USB 收发器敏感的 CMOS 结构。因此，ESD防护对每个 USB 引脚都有着重要且必要的意义。鉴于USB Type-C 端口的尺寸较小，并且 24 个引脚非常接近，要想保护端口不受 ESD 的影响极具挑战。两组相反的 12 个引脚非常接近，所以将端口插入设备时可能会发生短路。如果导电粒子碰巧在引脚之间形成意外连接，也可能发生短路。因此，始终需要采取额外的瞬变防护措施来防止短路情况的出现。

SBU 和CC 引脚保护：由于USB Type-C 插头尺寸很小且引脚之间相隔很近，分立式单线瞬态电压抑制(TVS) 二极管非常适合保护端口免受 ESD 事件的影响。此外，分立式TVS 二极管对于电路设计师而言，可以更方便地布局和布线。参考图 1 的引脚配置，我们可以看到 CC 引脚和SBU 引脚紧挨着 VBus 引脚。VBus引脚最高可达 20V，所以如果发生短路，CC引脚和 SBU 引脚则会暴露在20V 的电压下。在这种情况下，TVS 二极管的最低击穿电压不低于20V 才能保护 CC 和SBU 引脚。根据 IEC 61000-4-2 的要求，Semtech 的µClamp2411ZA能够承受电压在±20kV（空气放电）和±17kV（接触放电）之间的高 ESD，并且能够保持24V 的工作电压。µClamp2411ZA 是一款双向 TVS 二极管，具有1Ω的低动态电阻，采用0201 超小型封装尺寸。

VBus 引脚保护：保护 VBus 引脚需要工作电压超过20V、响应时间快、钳位电压低的 TVS 二极管。在保护VBus 引脚期间，绝不允许出现元件性能退化。低电容并非保护 VBus 线路所需考虑的因素，因为 VBus 线路通常对附加电容不敏感。Semtech的µClamp2271P非常适合保护VBus 引脚，因为高功率μClamp®的工作电压为 22V，峰值脉冲电流为25A。图 2 展示了VBus、CC 和SBU 引脚的 TVS 防护选项。

高速差分线路保护：Tx+/Tx-和 Rx+/Rx- 线路适用于超速接口和备用模式。发射器和接收器线路可以支持10Gbps 的数据传输速度，所以，超小结电容对于保持信号完整性显然非常重要。根据IEC 61000-4-2 的要求，Semtech 的RClamp3371ZC能够承受±17kV（空气放电）和±10kV（接触放电）之高 ESD，还有能维持最大0.25pF的结电容和 3.3V 工作电压。RClamp®采用 0201 (0.6 x 0.3 x 0.25mm) 微型封装尺寸。

D+/D- 线路保护：D+/D-线路适用于 USB 2.0 接口，可以使用Semtech 的RClamp4021ZA 进行保护。RClamp4021ZA属于 4V TVS，有着0.55pF 的最大结电容和 0.12Ω（典型值）的低动态电阻，采用的是0201 (0.6 x 0.3 x 0.25mm) 超小型封装尺寸。图2 展示了所有差分线路的 ESD 防护选项。

图2：USB Type-C 端口的ESD 防护

USB Type-C 接口具有超快的数据传输速度和出色的功率输出能力，在消费设备、手持设备以及工业电子设备领域广受欢迎。随着 USB Type-C 的普及，这些端口经常会暴露在上升时间超快的ESD 之下。因此，必须充分保护 USB 端口免受ESD 危害，避免用户的耳机或智能手机被 ESD 事件损坏。Semtech高效可靠的 TVS 产品正在为世界上众多常用电子设备保驾护航。这些解决方案是保护USB 2.0 和USB Type-C 接口的理想之选，可保障这些接口与高性能电子产品之间实现不间断的流畅连接。

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