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适合USB4的静电浪涌保护设计

嘉峪检测网        2021-02-02 21:05

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。

 

4. 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。

适合USB4的静电浪涌保护设计
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来源:质量提升与技术