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2024
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【整改案例】USB接口静电整改案例分享（一）——交换机USB接口
来源：
一、摘要
USB是通用串行总线的缩写，是一种串口总线的标准，也是一种输入输出接口的技术规范。USB接口可以用来连接各种设备，从而实现计算机与外部设备之间的数据传输，已经成为现今计算机设备之间连接的主要接口。但因USB接口裸露的金属座子及对外通讯的信号PIN脚，容易受到ESD脉冲、插拔尖峰脉冲电压等快速瞬变的影响，可能会损坏主机或外设收发器的精密内部电路，会对数据的传输造成影响，所以通过静电整改增强USB接口的静电防护能力极为重要。
静电是生活中常见的问题，静电放电有可能会影响设备的使用。我们以湖南静芯静电整改的一个交换机为案例，分析USB接口在静电防护方面可能遇到的问题。
二、问题描述
该产品有两个USB接口，分别位于交换机前后，需要通过的测试条件为IEC61000-4-2 :2008接触放电测试±8KV，空气放电±12KV。该产品通过HDMI接口连接显示器显示系统状态，在进行静电测试过程中，我们发现前后两接口均容易出现花屏和无信号黑屏现象，且需要人为重启才能恢复正常。
三、整改过程
根据该产品电路图进行分析，我们发现该USB接口的静电防护器件使用的是高分子材料ESD。高分子材料ESD虽具有良好的电导性，但钳位电压和触发电压较高，静电防护能力较弱且不耐高温，建议改为硅基材料的ESD器件，钳位电压低且不易老化，性能不会因为测试次数过多而降级，静电防护效果更佳。
我们将ESD器件换为湖南静芯的SELC9D5V1U，其电气特性表如下表2所示，该器件工作电压为5V，钳位电压为10V，结电容为0.5Pf,封装为SOD-923，尺寸较小封装紧凑，可替代高分子材料ESD。由实际测试结果可知，替换后产品性能显著提升，测试结果如下表1所示。
IEC空气放电，测试电压+12kV，测试次数10次 | |||
测试序号 | 整改前测试结果 | 测试序号 | 整改后测试结果 |
1 | 打后端USB接口时，出现无信号黑屏 | 1 | 正常 |
2 | 打后端USB接口时，出现红色花屏 | 2 | 正常 |
3 | 打前端USB接口时，出现红蓝色花屏 | 3 | 正常 |
IEC空气放电，测试电压-12kV，测试次数10次 | |||
测试序号 | 整改前测试结果 | 测试序号 | 整改后测试结果 |
1 | 打前端USB接口时，出现红蓝色花屏 | 1 | 正常 |
2 | 打后端USB接口时，显示屏无信号，蜂鸣器长鸣 | 2 | 正常 |
3 | 打后端USB接口时，出现红色花屏 | 3 | 正常 |
IEC接触放电，测试电压+8kV，测试次数10次 | |||
测试序号 | 整改前测试结果 | 测试序号 | 整改后测试结果 |
1 | 打前端USB接口时，出现红蓝色花屏 | 1 | 正常 |
2 | 打后端USB接口时，出现无信号黑屏 | 2 | 正常 |
3 | 打前端USB接口时，出现画面模糊 | 3 | 正常 |
IEC接触放电，测试电压-8kV，测试次数10次 | |||
测试序号 | 整改前测试结果 | 测试序号 | 整改后测试结果 |
1 | 打后端USB接口时，出现红色花屏 | 1 | 正常 |
2 | 打前端USB接口时，出现红蓝色花屏 | 2 | 正常 |
3 | 打后端USB接口时，出现无信号黑屏 | 3 | 正常 |
表1 测试结果对比表
Parameter | Symbol | Conditions | Min. | Typ. | Max. | Units |
Reverse Stand-off Voltage | VRWM |
|
|
| 5.0 | V |
Reverse Breakdown Voltage | VBR | IT=1mA | 5.5 |
|
| V |
Reverse Leakage Current | IR | VRWM=5V |
|
| 1.0 | uA |
Clamping Voltage | VC | IPP=1A; tp=8/20us |
| 8.0 | 10.0 | V |
Clamping Voltage | VC | IPP=3.5A; tp=8/20us |
| 10.0 | 12.0 | V |
Junction Capacitance | CJ | VR=0V; f=1MHz |
| 0.5 | 0.7 | pF |
表2 SELC9D5V1U电气特性表
通过上述整改措施，我们成功帮助客户解决了USB接口附近的静电防护问题，确保了设备的稳定运行。湖南静芯作为专业的静电防护方案提供商，期待与您分享更多实战案例与解决方案。
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