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USB3.0/3.1静电放电防护方案

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。

USB3.0的理论速度最高可达5Gbps，相比USB2.0极大地提升了数据传输的效率和速度，且保持了与USB2.0及更早版本的向后兼容性，用户可以在USB3.0接口上使用USB2.0的设备。其广泛应用于消费电子、计算机和外设等领域，如文件传输、摄像头、打印机、扫描仪等。由于高速系统的结构较小，且金属引脚外露，所以接口对ESD静电放电事件更为敏感。此USB3.0方案信号部分采用集成四通道保护、超低容值、低漏电的ESD静电二极管防护器件，在不影响数据传输的前提下满足IEC61000-4-2 Level 4静电放电防护需求。

USB3.1是USB3.0的升级版，提供了更高的数据传输速度和一系列新功能。它包含Gen1和Gen2两个版本，其中Gen1的速度与USB3.0相同（5Gbps），而Gen2则达到了10Gbps。USB3.1支持最高100W的电力输出，远超USB2.0和USB3.0的电力输出能力，满足更多高功率设备的充电需求。由于其高速传输速度和强大的电力供应能力，被广泛应用于需要高性能数据传输和充电的设备中，如高端电脑、游戏设备、虚拟现实设备等。提高数据速率的同时也显示了系统级ESD器件静电防护能力的重要性。此USB3.1方案高速信号部分采用单路双向超低容的ESD静电二极管防护器件，配合集成4路低容的ESD器件，提供灵活的布线选择，在不影响数据传输的前提下满足IEC61000-4-2 Level 4静电放电防护需求。

USB 3.0引脚配置

Pin

名称

功能描述

Pin

名称

功能描述

1

VBUS

电源+5V

2

D-

USB2.0数据线data-

3

D+

USB2.0数据线data+

4

GND

接地

5

SSRX-

超高速接收机差分对

6

SSRX+

超高速接收机差分对

7

GND_DRAIN

接地

8

SSTX-

超高速发送器差分对

9

SSTX+

超高速发送器差分对

 

 

 

 

USB 3.1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

应用示例

根据USB 3.0要兼容USB 2.0的特性，USB 3.0的静电防护分为两部分：Vbus和兼容USB 2.0的一对差分线（D+ 和 D-）共用一片四引脚ESD防护器件SELC143T5V2UC 进行防护，该器件的工作电压为5V，结电容仅为1.0pF,符合IEC 61000-4-2 (ESD) 规范，在 ±15kV（空气）和 ±15kV（接触）下提供瞬变保护；新增的两对差分线SSTX+/-和SSRX+/-共用一片六引脚ESD防护器件SEUC10F5V4UB进行防护，该器件的工作电压为5V，结电容仅为0.4pF,符合IEC 61000-4-2 (ESD) 规范，在 ±25kV（空气）和 ±20kV（接触）下提供瞬变保护。

  1. 高速差分线TX+ ,TX- ,RX+, RX-

在 USB 3.1标准中，发射器 (TX) 和接收器 (RX) 线支持高达10Gbps 的高速 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。

  1. 总线电源VBUS

USB 3.1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。

  1. 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。

  1. 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

规格型号

方向

工作电压(V)

IPP(A)

钳位电压(V)

结电容(pF)

封装

SELC143T5V2UC

Uni.

5

7

15

1.0

SOT-143

SEUC10F5V4UB

Uni.

5

3

12

0.4

DFN2510-10L

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

 

 

 

5

V

Reverse Breakdown Voltage

VBR

IT=1mA

6

 

9

V

Reverse Leakage Current

IR

VRWM=5V

 

 

1

uA

Clamping Voltage

VC

IPP=1A; tp=8/20us

 

10

13

V

Clamping Voltage

VC

IPP=7A; tp=8/20us

 

15

20

V

Junction Capacitance

CJ

VR=0V; f=1MHz

I/O pin to I/O pin

 

0.5

0.8

pF

Junction Capacitance

CJ

VR=0V; f=1MHz

I/O pin to GND

 

1.0

1.6

pF

表1 SELC143T5V2UC电气特性表

Parameters

Symbol

conditions

Min.

Typ.

Max.

Unit

Reverse stand-off voltage

VRWM

 

 

 

5.0

V

Reverse Breakdown Voltage

VBR

IT= 1mA

6.0

7.5

8.5

V

Reverse Leakage Current

IR

VRWM=5V

 

 

1.0

uA

Clamping Voltage

VCL

IPP=1A; TP=8/20us

 

9.0

11.0

V

 

 

 

 

 

 

Clamping Voltage

VCL

IPP=3A; TP=8/20us

 

12.0

15.0

 

Junction capacitance

CJ

I/O pins to ground; VR=0V; f = 1MHz

 

0.4

0.5

pF

Between I/O pins; VR=0V; f = 1MHz

 

0.2

0.25

表2 SEUC10F5V4UB电气特性表

 

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3 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4 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5 ESTVS2200DRVR电气特性表

总结与结论

随着移动设备和存储设备的普及，高速的数据传输变得越来越重要。USB 3.0/3.1不仅应用于传统的计算机外设，还广泛应用于智能手机、平板电脑、SSD固态硬盘、相机等设备的数据传输和充电。因此防止灾难性静电放电（ESD）事件对USB 3.0/3.1端口的侵害，成为了不可忽视的课题。

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