【防护方案】基于USB 3.1重定时器芯片PS8817的ESD&EOS防护方案

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一、摘要

本文主要是针对USB 3.1重定时器芯片PS8817的静电防护方案，分别采用分立式和集成式两种ESD保护器件对Type C接口的各条线路进行保护，集成式器件选用的是超低结电容、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，确保信号的完整性和设备的安全性。

二、USB 3.1介绍

USB 3.1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。USB 3.1包含Gen1和Gen2两个版本，，USB-IF为了避免混淆将USB 3.0改名为USB 3.1 Gen1，而将USB 3.1重新命名为USB 3.1 Gen2。其中Gen1的最高速度为5Gbps， Gen2：最高速度达到10Gbps。

USB 3.1完全向下兼容现有的USB连接器与线缆，以及USB 3.0、USB 2.0等早期版本的软件堆栈和设备协议。与早期的USB技术相比，USB 3.1使用了一个更高效的数据编码系统，降低了传输损耗率，提高了有效数据吞吐率。

USB3.1标准有Type-A、Type-B、Type-C三种接口，常采用Type-C接口，这种接口具有正反面插拔、高速数据传输、充电等多种功能，成为当今最流行的USB接口之一。Type-C接口为外露设计，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。

USB Type-C引脚配置如下图所示：

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

三、PS8817介绍

在电路板设计应用上，若有较长的USB信号走线需求时，抑或是避免因其他原因造成USB信号衰减，如当USB信号需通过被动切换器所造成的衰减，就需要使用Retimer，即重定时器。PS8817是一款双端口双向USB3.1 Gen 2重定时器，集成了UniEye均衡器和重定时器，用于调整USB3.1信号，适用于长媒体链路应用。它不仅支持USB3.1 Gen2（10Gbit/sec)和Gen1(5Gbit/sec)，也支持英特尔DCI(直接连接接口)，可通过外部USB端口进行封闭机壳调试。

全新的PS8817有两个支持双向传输的USB Gen2 输入接口，每个接口配有四个 retimer通道，有两个可向上游传输(upstream)另两个向下游(downstream)传输。这颗芯片瞄准个人电脑、工作站、及伺服器等USB主机应用，但也可应用在其他如扩充基座等搭载USB的装置上。

四、应用方案

在靠近Type C接口端的差分信号线上我们推荐采用回扫型集成多路ESD静电二极管SEUCS10F3V4B。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。

SEUCS10F3V4B可同时保护两对高速差分信号线免受静电放电(ESD)和低等级浪涌事件的冲击与干扰。它的工作电压为3.3V，结电容仅有0.17pF，钳位电压为仅为5V，封装为DFN2510-10L，符合IEC 61000-4-2 (ESD) 规范，在 ±15kV（空气）和 ±15kV（接触）下提供瞬变保护。

在Type C接口的DM/DP差分线、电源线VBUS、通信通道CC1/CC2和辅助通道SBU1/SBU2的静电保护上，考虑线速和电压，我们推荐采用的SELC2F5V1BT,可对单路高速数据线进行静电防护。其结电容为0.25pF，工作电压为5V，钳位电压为仅为22V，小体积DFN1006-2L方便布线,符合IEC 61000-4-2 (ESD) 规范，在 ±25（空气）和 ±22kV（接触）下提供瞬变保护。

五、器件电气特性表

At TA = 25℃ unless otherwise noted

Parameter	Symbol	Conditions	Min.	Typ.	Max.	Units
Reverse Stand-off Voltage	V_RWM			3.3		V
Reverse Breakdown Voltage	V_BR	IT=1mA	5.5		8.0	V
Reverse Leakage Current	I_R	V_RWM=3.3V		1	100	nA
Clamping Voltage	V_CL	I_PP=1A; tp=8/20us		2.5	4.0	V
Clamping Voltage	V_CL	I_PP=6A; tp=8/20us		5.0	7.0	V
Dynamic Resistance	R_dyn	I_R= 10A; Tamb = 25℃		0.3	0.35	Ω
Junction Capacitance	C_J	VR=0V; f=1MHz；IO-GND		0.17	0.25	pF
Junction Capacitance	C_J	VR=0V; f=1MHz；IO-IO		0.17	0.25	pF

表1 SEUCS10F3V4B电气特性表

Parameter	Symbol	Conditions	Min.	Typ.	Max.	Units
Reverse Stand-off Voltage	V_RWM				5	V
Reverse Breakdown Voltage	V_BR	IT=1mA	6.5		9.0	V
Reverse Leakage Current	I_R	V_RWM=5V			1	uA
Clamping Voltage	V_C	I_PP=1A; tp=8/20us		12	15	V
Clamping Voltage	V_C	I_PP=3A; tp=8/20us		16	19	V
Clamping Voltage	V_C	I_PP=4.5A; tp=8/20us		22	25	V
Junction Capacitance	C_J	VR=0V; f=1MHz		0.25	0.32	pF

表2 SELC2F5V1BT电气特性表

六、总结与结论

由于USB 3.1接口在数据传输中的重要作用，保护USB 3.1接口免受ESD静电损害极为关键。ELECSUPER SEMI深浅回扫型单双向系列ESD器件工作电压涵盖1~36V，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，为各种接口提供值得信赖的保护器件。以上解决方案是保护USB 3.1重定时器芯片PS8830的优选之策，确保移动通信的正常运行。