1

USB 4.0静电保护方案

方案简介

USB是一种通用的串行总线标准，定义了数据传输协议和电源供应规范，用于连接计算机与外部设备。USB接口的设计初衷是为了简化计算机与外部设备之间的连接，通过一个统一的接口标准来替代以往计算机上众多的串行和并行接口。最新一代USB 4.0版本1.0于 2019 年发布，支持高达 40 Gbps 的连接,最大功率可达100W，同时提供与 Thunderbolt 3 和 4 的交叉兼容性。USB 4 版本 2.0将性能进一步提升， 将最大速度翻倍至 80 Gbps，输出功率最大可以达到240W 。USB4.0物理层形态只有Type-C一种，新型Type C接口允许正反盲插，并向后兼容 USB 3.2 和 USB 2.0。

USB 4.0接口和传统USB一样，都为外露设计，使用者可以很方便地即插即用、随拔即关。然而，这种频繁的热插入动作却潜藏着风险，它极易引发静电放电（ESD）等瞬时噪声问题。当带电的USB 4.0接口与系统接触时，电荷的瞬间转移会产生强大的静电冲击，可能导致系统工作异常，影响设备的正常功能，更严重的是，它还可能直接损坏USB Type-C控制组件，给用户带来不必要的损失和困扰。此方案采用超小体积、超低结电容、超低钳位电压的Snap Back（深回扫）ESD静电防护器件，专为USB 3.X和USB 4.0接口的TX（发送）和RX（接收）线路提供静电保护，并采用TDS平缓钳位器件对总线电源线做静电浪涌防护，以及常规型ESD保护D+/D-差分线和靠近VBUS的通信通道，确保信号的完整性和设备的安全性。

USB 4.0的引脚配置

Pin

名称

功能描述

Pin

名称

功能描述

A1

GND

接地

B1

GND

接地

A2

TX1+

超高速差分信号

#1，TX，正

B2

TX2+

超高速差分信号

#2，TX，正

A3

TX1-

超高速差分信号

#1，TX，负

B3

TX2-

超高速差分信号

#2，TX，负

A4

VBUS

总线电源

B4

VBUS

总线电源

A5

CC1

识别通道

B5

CC2

识别通道

A6

D+

USB2.0差分信号

Position1，正

B6

D+

USB2.0差分信号

Position2，正

A7

D-

USB2.0差分信号

Position1，负

B7

D-

USB2.0差分信号

position2，负

A8

SBU1

辅助通道

B8

SBU2

识别通道

A9

VBUS

总线电源

B9

VBUS

总线电源

A10

RX2-

超高速差分信号

#2，RX，负

B10

RX1-

超高速差分信号

#1，RX，负

A11

RX2+

超高速差分信号

#2，RX，正

B11

RX1+

超高速差分信号

#1，RX，正

A12

GND

接地

B12

GND

接地

 

深回扫型ESD提供静电防护

回扫特性ESD防护器件具有超小封装体积、超低钳位电压、超低结电容特性，相比常规工艺 TVS 防护效果更优，且不影响信号完整性，可更有效保护USB端口免受瞬态过电压的影响，为相关电子产品设备加固防护，提升消费者使用体验。

常规型ESD的电压会随着IPP（峰值脉冲电流）的增加而等比例增加，呈现出一个较为线性的增长趋势。深回扫型ESD的特点是在电压达到触发电压VT之后，芯片会在瞬间拉低ESD两端的钳位电压，进入一个小于工作电压 VRWM的较低电压VH。然后再随着电流的增大，电压逐步增加。在同样IPP电流的情况下，VC钳位电压比常规的ESD器件低30%以上，极大的保证了被保护IC乃至整个电路的安全。

相较于常规型ESD，深回扫型ESD的优点有：

  1. 更低的钳位电压：在相同的IPP下，带回扫ESD的VC（钳位电压）比常规ESD器件低30%以上。这种低钳位电压有助于提前释放能量，更有效地保护集成电路（IC）及整个电路的安全；
  2. 更低的漏电流：这类ESD器件具有更低的漏电流，有助于降低设备的功耗，实现更节能的设计；
  3. 更广泛的应用范围：带回扫ESD的优异性能使其适用于更广泛的领域，如低压移动电子设备、汽车电子、工业控制等对ESD保护要求较高的场合。

通过对比常规ESD和带回扫ESD的特性曲线图及其优点，可以看出深回扫ESD在ESD保护方面具有更出色的性能和应用前景。

应用示例

    

1.高速差分线TX+ ,TX- ,RX+, RX-

在 USB4和雷电4标准中，发射器 (TX) 和接收器 (RX) 线支持高达 40Gbps 的超高速 USB 接口和交替模式的数据传输。由于接口试图在传输大量内容时仍保持极高速度，但数据线需要经常插拔，在插拔的过程中有可能因为消费者的触摸或金属引脚短接引发静电放电（ESD）等问题，因此选择合适的 ESD 防护器件至关重要。

湖南静芯旗下SEUCS2X3V1B拥有卓越的ESD 保护特性，专为保护超高速USB 差分线路而设计，同时保持 0.14pF 的极低线间典型电容，确保信号完整性。SEUCS2X3V1B可对单路高速数据线进行静电防护，工作电压为 3.3 V，钳位电压为仅为5.5V，封装为DFN0603-2L，符合IEC 61000-4-2 (ESD) 规范，在 ±15kV（空气）和 ±15kV（接触）下提供瞬变保护。

 

2.总线电源VBUS

USB PD3.0和雷电4可以提供高达100W的功率，则VBUS上的最大电压可以达到20V，最大电流为5A。VBUS 引脚的安全性就需要使用工作电压高于 20V的防护器件来保护 VBUS 引脚。

我们选用的是湖南静芯旗下一款工作电压为22V的瞬态转向抑制器(TDS)，型号为ESTVS2200DRVR。TDS设计用于提供高能量 EOS保护， 不使用传统的 PN 结 TVS 二极管进行保护，而是使用额定浪涌 FET 作为主要保护元件，用作压控开关，与标准 TVS 器件相比具有优越的箝位和温度特性，能有效保护包含 PD功能的 USB Type-C接口和雷电4接口，该器件采用浪涌额定场效应管作为主要保护元件，当检测到 EOS 事件时，即瞬态电压攀升至超过集成精密触发器所设定的击穿电压（VBR）阈值，触发电路立即启动，开启泄流场效应管，有效地将瞬态电流安全释放到地。

ESTVS2200DRVR器件为DFN封装，工作电压为22V，可在 ESD 和浪涌事件期间保护 USB-PD 控制器。它具有27V的最小击穿电压和70A的峰值脉冲电流, 且符合IEC 61000-4-2 (ESD) 规范，在 ±30kV（空气）和 ±30kV（接触）下提供瞬变保护。

 

3.D+/D-差分线

D+/D-两个引脚是用于兼容USB 2.0接口，D+和D-引脚承载速率为480Mbps的差分数据信号，这对差分线上的电压在正常工作条件下可以达到 5V。推荐采用湖南静芯旗下ESD回扫型器件SEUCS2X3V1B，该器件的工作电压为 3.3 V，钳位电压为仅5.5V，结电容仅为0.14pF，封装为DFN0603-2L，符合IEC 61000-4-2 (ESD) 规范，在 ±15kV（空气）和 ±15kV（接触）下提供瞬变保护。

 

4。CC、SBU和VCONN引脚

CC1、CC2作为Type C的识别通道，可用于识别连接设备和确定功率方向，建立和管理两个连接端口之间的源和接收器连接。CC在插座中设有两个，插头中设有一个，可用于辨识插头朝向并促进 USB4 数据总线通信的建立。当其中一个 CC 引脚未被使用时，它会转变为 VCONN 引脚，服务于 USB Type-C 电子标记电缆（EMC）。VCONN 是一个5V1W的电源，用于为带有电子标记的 Type-C 电缆内的集成电路 (IC) 供电。若电缆不具备电子标记功能，意味着内部没有电子设备，因此无需VCONN 引脚供电，此时该引脚在 USB Type-C 插头上会处于未连接状态。

SBU1、SBU2是 DisplayPort 和其他数据信号在 Alt 模式下工作的辅助通道，可用于支持高速数据或支持其他附加功能，如模拟音频和视频传输等。在 USB4 协议中，它们被称为 SBTX 和 SBRX。SBTX 是 USB4 控制器的串行发送信号，SBRX 是 USB4 控制器的串行接收信号。SBTX/SBRX 在 USB4 中用于主机器件和外设之间进行通信、初始化数据线、交换器件管理信息、控制数据等。

在使用USB-PD的情况下，VBUS引脚电压可以达到20V，由于CC/SBU引脚紧挨着 VBUS 引脚，如果发生短路，CC/SBU引脚将暴露在20V下, 可能会对系统造成损害，为了避免此现象的发生，我们需要在CC/SBU引脚附近设置工作电压大于20V的静电保护元件。

湖南静芯的双向ESD静电保护器件SEUCS2X24V1B是保护 CC/SBU 引脚的完美解决方案。SEUCS2X24V1B采用超小型DFN0603-2L封装，工作电压为24V，钳位电压为5.6V，结电容仅为0.12pF， 符合IEC 61000-4-2 (ESD) 规范，在 ±15kV（空气）和 ±15kV（接触）下提供瞬变保护。

 

型号参数

型号

方向

工作电压(V)

电流

(A)

钳位电压

(V)

结电容

（pF）

封装

SEUCS2X3V1B

Bi.

3.3

7

5.5

0.14

DFN0603-2L

ESTVS2200DRVR

Uni.

22

70

30.2

150

DFN1610-2L

SEUCS2X24V1B

Bi.

24

6

5.6

0.12

DFN0603-2L

 

电气特性表

At TA = 25℃ unless otherwise noted

Parameter

Symbol

Conditions

Min.

Typ.

Max.

Units

Reverse Stand-off Voltage

VRWM

 

 

3.3

5.0

V

Reverse Breakdown Voltage

VBR

IT=1mA

5.5

8.1

10.0

V

Reverse Leakage Current

IR

VRWM=3.3 OR 5.0V

 

1

100

nA

Clamping Voltage

VC

IPP=1A; tp=8/20us

 

2.5

4.0

V

Clamping Voltage

VC

IPP=7A; tp=8/20us

 

5.5

7.0

V

Reverse Holding Voltage

VHOLD

IHOLD=18mA

1.8

2.2

2.5

V

Reverse Holding Current

IHOLD

VHOLD=2.2V

12

18

25

mA

Dynamic Resistance

Rdyn

 

 

0.4

 

Ω

Junction Capacitance

CJ

VR=0V; f=1MHz

 

0.14

0.18

pF

表1 SEUCS2X3V1B电气特性表

 

Parameter

Symbol

Conditions

Min.

Typ.

Max.

Units

Reverse Stand-off Voltage

VRWM

 

 

 

24.0

V

Reverse Breakdown Voltage

VBR

IT=1mA

24.5

31.0

 

V

Reverse Leakage Current

IR

VRWM=24.0

 

 

100

nA

Clamping Voltage

VC

IPP=1A; tp=8/20us

 

2.5

 

V

Clamping Voltage

VC

IPP=6.0A; tp=8/20us

 

5.6

 

V

Dynamic Resistance

Rdyn

 

 

0.3

 

Ω

Junction Capacitance

CJ

VR=0V; f=1MHz

 

0.12

0.20

pF

表2 SEUCS2X24V1B电气特性表

 

Parameter

Symbol

Conditions

Min.

Typ.

Max.

Units

Reverse Stand-off Voltage

VRWM

 

 

 

22

V

Reverse Breakdown Voltage

VBR

IT=1mA；T=27℃

 

27

 

V

Reverse Leakage Current

IR

VRWM=22V；T=27℃

 

0.4

62

nA

Forward Voltage

VF

IT=1mA；T=27℃

 

0.517

 

V

Clamping Voltage

VC

IPP=24A; tp=8/20us；T=27℃

 

27.8

 

V

VC

IPP=40A; tp=8/20us；T=27℃

 

28.6

 

V

VC

IPP=68A; tp=8/20us；T=27℃

 

30.2

 

V

Dynamic Resistance

Rdyn

 

 

 

50

mΩ

Junction Capacitance

CJ

VR=22V; f=1MHz T=27℃

 

150

 

pF

表3 ESTVS2200DRVR电气特性表

 

总结与结论

通过 USB Type-C 连接器实现的 USB4规格已成为主导接口，能以 40Gbps 的超快速度传输数据，兼容DisplayPort 2.0标准，并启用USB PD3.0模式实现最高100W的双向电力传输。尽管不断升级的USB接口标准大幅提升了数据传输速率，提供了卓越的视频质量和更高的分辨率，但同时在遇到静电放电（ESD）冲击时，其接口内部更易受损需要合适的静电保护。

湖南静芯深浅回扫型单双向系列ESD器件工作电压涵盖2.5~36V，电流涵盖4~30A，0.1pF极低电容，封装涵盖CSP、FC及各类封装形式，可按照客户需求性能与封装提供定制化开发服务。同时湖南静芯推出首款22V TDS平缓钳位器件可用于业内USB 4.0接口、PD接口、工业机器人、IO-Link接口、工业传感器和以太网供电(PoE)的电源端口防护,其拥有更强的防浪涌能力、更低的钳位电压可为电子器件提供更好的防护。