適合USB4的靜電浪涌保護(hù)設(shè)計(jì)

近年來(lái)各品牌電腦、手機(jī)都邁入搭載USB-C接口行列。這對(duì)于廠商和用戶來(lái)說(shuō)無(wú)疑都是一大好消息！據(jù)了解，USB4協(xié)議將基于Thunderbolt 3協(xié)議進(jìn)行開(kāi)發(fā)，這將使得USB-C接口的兼容性大大增加。

從USB4的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)看，統(tǒng)治長(zhǎng)達(dá)幾十年的Type-A可能正在走向消失，雖然USB4來(lái)的可能沒(méi)有那么快，但預(yù)計(jì)未來(lái)5年內(nèi)會(huì)登陸PC，屆時(shí)更為方便的Type-C將會(huì)廣泛出現(xiàn)在產(chǎn)品上，Type-A也就慢慢消失了

實(shí)際上，從傳輸速率上看這次USB4 會(huì)非常符合未來(lái)5G的需求。眾所周知，5G將會(huì)在傳輸、運(yùn)營(yíng)商業(yè)務(wù)等方面有巨大的進(jìn)步，這次的USB4 顯然將會(huì)非常契合5G網(wǎng)絡(luò)，USB4控制器必須采用先進(jìn)的半導(dǎo)體制造技術(shù)來(lái)制造。但是，這也導(dǎo)致ESD容忍度大大降低。

什么是USB4?

USB4內(nèi)置于USB Type-C的物理接口中。除了將最大數(shù)據(jù)速率提高到40 Gbit / s，USB-C PD還能以高達(dá)100W的功率對(duì)設(shè)備快速充電。在不久的將來(lái)，USB Type-C將迅速成為大多數(shù)消費(fèi)電子產(chǎn)品（如臺(tái)式機(jī)，筆記本電腦，平板電腦和智能手機(jī)）的主流接口。

USB4總受靜電干擾

與傳統(tǒng)的USB一樣，USB4端口也是可見(jiàn)的，用戶可以自由地將設(shè)備連接到系統(tǒng)或從系統(tǒng)斷開(kāi)連接。最常見(jiàn)的應(yīng)用是即插即用。但是，熱插拔操作通常是導(dǎo)致電子系統(tǒng)崩潰的原因，甚至?xí)?dǎo)致USB Type-C控制器損壞，因?yàn)榇祟愂录赡軙?huì)導(dǎo)致意外的噪聲瞬變，例如ESD。在熱插拔中，帶電信號(hào)線作為接口端口處的帶電電線在與系統(tǒng)接觸時(shí)會(huì)放電。由熱插拔觸發(fā)的這種放電（通常稱為"直接放電"）與靜電放電相同，會(huì)嚴(yán)重?fù)p壞系統(tǒng)。在系統(tǒng)級(jí)ESD測(cè)試中，

在系統(tǒng)級(jí)ESD測(cè)試方面，一些品牌制造商甚至指定安裝在其產(chǎn)品上的USB Type-C連接器應(yīng)通過(guò)Direct-Pin Injection測(cè)試，以通過(guò)除IEC 61000-4-2標(biāo)準(zhǔn)以外的±8kV接觸放電的ESD沖擊。因此，絕對(duì)有必要在USB Type-C接口上使用ESD保護(hù)，以防止ESD引起的數(shù)據(jù)傳輸干擾。

電子產(chǎn)品已迅速到達(dá)世界各個(gè)角落。但是，許多地區(qū)的基礎(chǔ)設(shè)施薄弱和極端天氣事件增加了EOS（電應(yīng)力過(guò)大）電涌對(duì)電子設(shè)備造成損害的可能性，從而導(dǎo)致報(bào)告收益顯著增加。IEC 61000-4-5已被用作國(guó)際測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，以模擬由電源干擾，電源線上的噪聲或熱插拔引起的EOS事件，電壓波形為1.2/50μs，電流波形為8/20μs。除了將直接放電作為內(nèi)部ESD測(cè)試方法之外，一些品牌制造商還包括用于EOS浪涌測(cè)試的方法。

對(duì)于USB4等高速接口，選擇ESD / EOS保護(hù)組件時(shí)需要考慮以下幾點(diǎn)：

1.為了確保通過(guò)USB4傳遞高速信號(hào)完整性，選擇該器件時(shí)需要使用具有較低寄生電容的ESD保護(hù)組件。推薦使用低于0.2pF的寄生電容。

2.選擇一種具有高ESD耐電壓能力的保護(hù)組件，至少要承受IEC 61000-4-2中規(guī)定的8kV接觸放電的ESD沖擊。

3. ESD鉗位電壓是必不可少的參數(shù)。較低的鉗位電壓表示更好的保護(hù)性能。這意味著將ESD能量鉗位到較低的電壓，以防止干擾或損壞系統(tǒng)的內(nèi)部電路。這使得鉗位電壓成為限定ESD保護(hù)組件效率的最重要參數(shù)。

USB PD的充電技術(shù)支持5V，9V，15V和20V四個(gè)電壓等級(jí)。但是，頻繁的熱插拔到電源很容易引起ESD / EOS靜電浪涌事件，因此有必要針對(duì)外部浪涌?jī)?yōu)化ESD / EOS保護(hù)解決方案。

適合USB4的ESD器件

雷卯電子根據(jù)客戶需求，研發(fā)ESD推出型號(hào)ULC0511CDN，尤其是USB4。為了避免寄生電容限制差分信號(hào)在USB4上的傳輸，ULC0511CDN的寄生電容低于0.2pF，從而成功通過(guò)了40 Gbit / s的眼圖測(cè)試。最好的部分是ULC0511CDN具有極低的ESD鉗位電壓，能夠在直接引腳注入測(cè)試中有效地協(xié)助USB4接口承受±8kV ESD沖擊（接觸放電）。通過(guò)TLP測(cè)量的ULC0511CDN的電流-電壓曲線表明，在IEC 61000-4-2中規(guī)定的8kV接觸放電的ESD沖擊下，鉗位電壓很低（等效的TLP電流約為16A），可以有效避免數(shù)據(jù)錯(cuò)誤，

隨著更輕，更薄，更小的電子產(chǎn)品的發(fā)展趨勢(shì)，印刷電路板（PCB）也不斷縮小。在功能強(qiáng)大的要求下，在小型PCB上的電路布局變得更加復(fù)雜和困難，并增加了產(chǎn)品設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。帶有超小封裝DFN1006的ULC0511CDN的尺寸僅為1.0mm x 0.6mm，主要用于保護(hù)USB4上的4個(gè)差分對(duì)（TX和RX）。此外，使用單個(gè)ULC3344P8能夠保護(hù)其余的信號(hào)線（D + / D- / CC / SBU）。特別是，ULC3344P8的引腳配置為交錯(cuò)排列，以便于PCB布局上的穿通設(shè)計(jì)，從而避免布線困難。它不僅可以加快設(shè)計(jì)階段的PCB布局設(shè)計(jì)流程，而且最小化PCB尺寸以降低系統(tǒng)成本。該接口還提供快速充電。工程師可能只需要在電源端口上從SD0571P6W，SMDA05CCN中選擇合適的EOS組件作為保護(hù)即可完美保護(hù)接口免受ESD / EOS事件的影響。

下圖顯示了用于USB4接口完整布線的ESD / EOS保護(hù)解決方案。

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