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2024
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湖南静芯推出应用于USB3.X/4.0、Thunderbolt 3/4 深回扫型CSP0603封装ESD/EOS防护器件
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一、USB发展历程与接口分类
由英特尔等多家公司联合在1996年推出通用串行总线（英语：Universal Serial Bus，缩写：USB）是一种串口总线标准，也是一种输入输出接口的技术规范，被广泛地应用于个人电脑和移动设备等信息通讯产品，并扩展至摄影器材、数字电视（机顶盒）、游戏机等其它相关领域。最新一代USB 4于 2019 年发布，支持高达 40 Gbps 的连接，同时提供与 Thunderbolt 3 和 4 的交叉兼容性。USB 4 版本 2.0 将最大速度翻倍至 80 Gbps，但可以更高，单向高达 120 Gbps（下行链路为 40 Gbps），为高分辨率显示器供电，三段式电压5V/12V/20V，最大供电100W，新型Type C接口允许正反盲插，并向后兼容 USB 3.2 和 USB 2.0。
图1 1996-2019 USB协议通讯速率发展
随着USB协议的推出与发展出现多种接口外形，USB接口按大类分有三种，即Type-A（电脑上插鼠标、键盘、U盘的接口）、Type-B（常见于打印机以及带触摸和USB接口的显示器）、Type-C（支持正反2个方向插入）；而细分的话有七种，分别是Standard Type-A、Mini Type-A、Micro type-A，standard Type-B、Mini Type-B、Micro Type-B，Type-C。
图2 USB 外观类型
Type-C接口作为一种全新的连接标准，不仅逐渐成为各类电子设备的首选，更在数据传输、充电速度和便携性方面带来了革命性的变革。USB-IF发布USB4物理层形态只有Type-C一种：这意味着所有支持USB4的设备必须使用Type-C接口，确保了设备之间的兼容性和统一性。
图3 Type-C引脚定义
二、USB3.X/4.0、Thunderbolt 3/4遭受ESD/EOS 原因
日常工作、生活中离不开手机、笔记本电脑、平板等电子设备。每次插拔USB充电/数据线时，都可能产生静电放电ESD或低压浪涌Surge的干扰。造成该现象的主要原因如下：
1.USB Type-C 接口比较小巧，且其金属触点之间的距离较小，这使得它们更容易受到静电放电的影响。
2.USB Type-C 接口通常用于连接各种电子设备，这些设备可能会产生不同的静电放电，从而影响接口的正常工作。
3.人体是常见的静电源，当我们触摸 USB Type-C 接口时，可能会将身上的静电荷传递到接口上，引发 ESD 危害。
4.热插拔或充电，没有做好浪涌防护会造成EOS事件发生。
如果防护不到位，轻则造成异常或死机，需要系统重启，重则端口电路永久性损坏，设备无法使用。
三、USB3.X/4.0、Thunderbolt 3/4 ESD选型注意事项
在选择ESD（静电放电）保护组件以适配USB 3.X和USB 4.0高速接口时，需着重考虑以下几个关键因素以确保高速信号的完整性和设备的安全性：
1.低电容特性：为确保USB 3.X和USB 4.0接口传输的高速信号不受影响，所选ESD保护器件必须具有极低的电容值。低电容有助于减少信号衰减和失真，从而确保数据传输的完整性和稳定性。
2.高ESD耐电压能力：考虑到静电放电可能带来的潜在损害，ESD保护组件必须能够承受较高的ESD电压冲击。按照IEC 61000-4-2标准，至少应能承受8kV的接触放电ESD冲击，以提供足够的保护。
3.低钳位电压：较低的钳位电压表示在ESD事件发生时，保护器件能够更有效地将电压限制在安全范围内，避免对后端电路造成损害。因此，选择具有低钳位电压的ESD保护组件是保障设备安全性的重要措施。
四、湖南静芯深回扫ESD介绍
湖南静芯在为手机、电脑等应用领域持续提供高性能解决方案的积淀中，推出SCR工艺回扫特性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。
1、常规ESD与回扫型ESD区别
常规ESD：其电压随着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。带回扫ESD：当电压达到VT1（触发电压）后，ESD器件会瞬间将两端的钳位电压拉低，进入一个介于工作电压VRWM和VT1之间的较低电压Vh。随后，随着电流的增加，电压逐渐增大，但增长速度相比常规ESD较慢。
带回扫ESD的优点：
1.低钳位电压：在相同的IPP下，带回扫ESD的VC（钳位电压）比常规ESD器件低50%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ESD钳位电压：带回扫ESD具有更优异的ESD保护能力，能在过ESD事件时提供更低的钳位电压，从而提供更高级别的系统保护；
3.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；
4.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，可以看出带回扫ESD在ESD保护方面具有更出色的性能和应用前景。
图3 IV曲线对比
2、湖南静芯深回扫产品推荐
静芯推出超小体积、超低结电容、超低钳位电压的Snap Back（深回扫）ESD器件SEUCS2Z3V1B，该产品专为USB3.X/4.0、Thunderbolt 3/4接口的TX（发送）和RX（接收）线路设计。SEUCS2Z3V1B为单路双向保护器件，具备8.0V低触发电压和5V低钳位电压特性，满足18V低压浪涌（1.2/50us)的过压保护需求（VRWM=5.0V MAX，VCL = 5.0V@IPP = 9.0A (8/20us)）。以其更小的容值和更低的钳位电压，为高速数据传输提供了高速信号线提供优异的瞬态过压保护效果，确保了信号的完整性和设备的安全性。
图4 4 基本电性图
图5 器件TLP曲线
图6 CV曲线图
图7 静电与眼图测试
五、USB3.X/4.0、Thunderbolt 3/4接口ESD/EOS防护方案
1. SuperSpeed TX+ ,TX- ,RX+, RX- 差分线
高速差分信号线，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，因此选择合适的ESD（TVS) 防护器件至关重要。推荐用低结电容0.2PF，小体积CSP0603方便布线,深回扫，低钳位电压SEUCS2Z3V1B做静电保护，确保信号完整性。
2. USB 2.0 D+/D- 差分线
用于USB 2.0接口，D+和D-引脚数据速率480Mbps，这对差分线上的电压正常为5V，考虑线速推荐采用SEUCS2Z3V1B，低结电容0.2PF ,小体积CSP0603,方便布线。
3. 总线电源VBUS
电源线，用于供电。考虑使用USB-PD满足充电，推荐采用大功率ESD(TVS) SEHC16F24V1UD做静电浪涌防护,封装为DFN1610-2 ，峰值电流60A,功率1800W。
4. Configuration Channel&Sideband use (SBU)
CC1、CC2：通信通道，用于识别连接设备和确定功率方向。SBU1、SBU2：辅助通道，可用于支持高速数据或其他功能。CC/SBU引脚紧挨着 VBUS 引脚。使用USB-PD的话，VBUS引脚电压可以达到20V，这样CC/SBU引脚容易短路到20V, 为了避免损坏，这两个引脚推荐24V ESD（TVS) 进行保护：SEUCS2Z24V1B。做好以上这些信号保护，USB4 将免于发生一些静电浪涌事件。
图8 USB3.X/4.0、Thunderbolt 3/4接口ESD/EOS防护方案
防护方案中所使用ESD型号参数描述（详尽参数请与我司代理联系）：
图9 器件基本参数
湖南静芯回深浅回扫型单双向系列ESD器件工作电压涵盖1.0~36V，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，部分型号如下：
图10 静芯部分深回扫器件
湖南静芯是一家专门从事高可靠性器件与芯片设计的高新技术企业，为客户提供面向汽车、工业、物联网等高可靠性传感器及相关芯片、半导体器件和应用系统等产品和服务。
- 在分立器件方向具有自带完整ESD/TVS/TSS/MOS等器件工艺技术和产品；
- 在集成电路芯片方向提供高可靠性的光电集成信号处理/TDS/OVP等芯片技术和产品；
- 在设计服务方面提供片上集成抗雷击高性能ESD/TVS委托开发设计。
静心创新，静芯创芯
官方网站：www.elecsuper.com
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