電磁兼容保護電路設計詳解 —電路圖天天讀（173）

　　USB端口對PC外設的發(fā)展起到了革命性的推動作用，并且正變得越來越流行，比如在采集測量數(shù)據(jù)或在機器上安裝軟件更新等應用中就非常常見。作為用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊环N總線系統(tǒng)，只要有移動設備連著的地方就有它的身影。雖然在日常生活中使用的連接器看起來非常結實，但USB應用開發(fā)人員仍然必須重視這些接口的保護。

　　在Intel公司的“高速USB平臺設計指南”中，甚至提高了考慮USB端口易感性因素的重要性。Intel建議用電流補償型扼流圈抑制 EMI，再用其它元件防止靜電放電（ESD）。電子設備經(jīng)常會遭受靜電放電。靜電放電脈沖電壓可能高達30kV，因此對所有類型的集成電路來說都是非常危險的。目前有些IC對靜電放電來說是“安全的”，但這種安全性只是對一小部分潛在威脅來說是有保證的。日常操作表明：額外保護是必不可少的。只有采取外部保護措施才能開發(fā)出整塊電路板不受靜電放電影響以及高度可靠的產(chǎn)品來。專門的抑制措施同樣也是必需的。無線聯(lián)網(wǎng)的電子設備如今是遍地開花，它們的數(shù)量正在與日俱增。

　　實際的抗干擾能力

　　在提到干擾對USB的影響時，差分模式數(shù)據(jù)傳輸與簡單的同軸電纜相比具有很大的優(yōu)勢。在感性干擾效應（磁場）情況下，導線的絞合可以彌補干擾效應。鑒于每根雙絞線的部分電感的對稱性，干擾會彼此影響補償效果。這種抗干擾效果在實際應用中會大打折扣。USB控制器的輸入/輸出不是完全對稱的，因此USB信號顯示出共模干擾。Layout與HF/EMC不兼容，寄生電容和缺少波阻匹配會產(chǎn)生共模干擾。電路設計（USB濾波器）不充分，濾波器影響信號質量，和/或插損太低。接口設計（插座，外殼）不充分。不良的接地會減小電纜的屏蔽衰耗。濾波器具有不良的接地參考。USB電纜不對稱、屏蔽不良以及沒有足夠好的接地。這種電纜會劣化信號質量，輻射信號諧波，對外部干擾源起不到足夠的屏蔽衰減。

　　對于一個端到端的EMC兼容設計而言，對電源（VBUS）進行濾波也很重要。許多開發(fā)人員忽視了這一點，卻不知道他們的產(chǎn)品為何通不過 EMC實驗室的測試。這里介紹了針對一個或兩個USB端口的兩種優(yōu)化設計。兩條USB線可以用TVS二極管加以保護。所有4條信號線以及公共電源都得到了很好的靜電放電保護。進一步的優(yōu)化可以通過用一個電流補償式數(shù)據(jù)線扼流圈和電容，搭建一個LC濾波器濾除輸入端的共模和差模干擾來實現(xiàn)。在電源端使用 WE-CBF系列貼片磁珠可以實現(xiàn)卓越的抑制性能（圖1）。

　　圖1：具有靜電放電保護功能的雙端口USB端口。

　　單通道保護元件（如WE-VE系列靜電放電抑制器）必須始終連接在信號線與地之間。不必使用小電容的靜電放電抑制器來保護電源，普通的SMD變阻器就足夠了。它可以吸收較高的能量和較高的電流，因此是設計的第一選擇（圖2）。

　　圖2：與屏蔽數(shù)據(jù)線不同，電源端不必使用小電容的靜電放電抑制器。

　　針對USB端口的推薦Layout

　　從圖3可以明顯看出，有兩條差分信號線（D+和D-）從插頭連接器連接到TVS二極管，再通過電流補償式數(shù)據(jù)線扼流圈連接到USB控制器。這樣能夠得到出色的靜電放電保護功能，并能良好的抑制數(shù)據(jù)線對。VBUS通過TVS二極管路由到貼片磁珠。在貼片磁珠之后，可以插入額外的電容和另一個貼片磁珠來實現(xiàn)最大可能的PI濾波器衰減。

　　圖3：USB端口保護。

　　在非常敏感的IC和/或高可靠性開發(fā)案例中，通過兩次連接TVS二極管引腳可以實現(xiàn)最優(yōu)的靜電放電保護效果（圖4）。

　　圖4：USB端口的雙重保護。

　　希望采用單通道保護元件的開發(fā)人員可以使用WE-VE系列靜電放電抑制器。這些抑制器總是必須從D+/D-連接到地。還要連接其它一些元件，如圖5所示。

　　圖5：采用單通道元件的保護機制。

　　保護元件的選擇

　　靜電放電（ESD）保護的定義為：依照EN 61000-4-2標準防止ESD脈沖，依照EN 61000-4-5防止浪涌脈沖，以及依照EN 61000-4-4防止突發(fā)（EFT）脈沖。瞬態(tài)電壓抑制器（TVS）二極管必須滿足這些功能。重要的是：為了保護諸如USB等快速數(shù)據(jù)線受到過壓的破壞，應該使用具有低電容特性的TVS和陶瓷ESD抑制器，以免USB信號發(fā)生失真?；谶@個原因，Würth Elektronik eiSos公司開發(fā)出了專門在這方面作了優(yōu)化的元件，并且在數(shù)據(jù)線上是不可見的。TVS二極管的電容值不到1pF，電容值最高0.2pF的陶瓷ESD抑制器是保護USB端口的理想選擇。

　　在EMC兼容設計中應避免風險。必須要指出的是，干擾會威脅到數(shù)據(jù)通信的完整性——特別是對于通過USB實現(xiàn)的數(shù)據(jù)傳輸而言。EMC不是 “可有可無”，或用來滿足什么法規(guī)和標準，而是一種質量指標。為了盡可能在設計早期就徹底排除EMC問題，業(yè)界推出了專門針對快速數(shù)據(jù)線特殊狀態(tài)剪裁的元器件，它們不僅可以減少開發(fā)工作量，而且最重要的是可以避免關鍵的EMC測試結果之后的返工。