【防护方案】基于USB 4.0重定时器芯片PS8830的ESD&EOS防护方案

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一、摘要

本文主要是针对USB 4.0重定时器芯片PS8830的两种静电防护方案，分别采用分立式和集成式两种ESD保护器件对Type-C接口的高速差分线进行保护，均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 4.0介绍

USB 4.0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。

其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、PS8830介绍

PS8830 遵循USB开发者论坛 (USB-IF)所制定的USB4设计规格，是一款适用于系统应用的USB4和DP 2.0替代模式重定时器。它符合USB4规格和USB Type-C标准中的VESA DisplayPort替代模式，能够支持Gen3x2 40Gbps的传输速率。若工作在替代模式則能够支持高达DP2.0-UHBR20(20Gbps)以及TBT3.0的41.25Gbps(2x20.625Gbps)。在主控端与裝置端不支持USB4的应用环境下，PS8830也能向下兼容USB3.2工作模式。其在待命模式及低功耗模式下能耗表现绝佳，能够极大化行动裝置的电池寿命。

四、应用方案

我们提供两种ESD静电防护器件，专为保护该接口的高速差分线路而设计的回扫特性ESD防护器件，型号分别为SEUCS2X3V1B和SEUCS10F3V4B。分立器件减少了生产成本，集成式器件的流通式封装设计简化了 PCB 布局，减少布线过程中的不连续性，促进了信号完整性和系统稳定性的提升。

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。

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。而回扫型ESD器件在当电压达到VT1（触发电压）后会瞬间将两端的钳位电压拉低，进入一个介于工作电压V_RWM和V_T之间的较低电压V_h。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。

①方案一

方案一中我们推荐采用的SEUCS2X3V1B可对单路高速数据线进行静电防护，使用八个SEUCS2X3V1B可保护Type C接口的四对差分线。其结电容仅有0.14pF，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方案二

方案二中我们推荐采用集成多路ESD静电二极管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。

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	5.0	V
Reverse Breakdown Voltage	V_BR	I_T=1mA	5.5	8.1	11	V
Reverse Leakage Current	I_R	V_RWM=3.3		1	100	nA
Clamping Voltage	V_C	I_PP=1A; tp=8/20us		2.5		V
Clamping Voltage	V_C	I_PP=7A; tp=8/20us		5.5		V
Dynamic Resistance	R_dyn			0.4		Ω
Junction Capacitance	C_J	V_R=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	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2 SEUCS10F3V4B电气特性表

六、总结与结论

由于USB 4.0接口在数据传输中的重要作用，保护USB 4.0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 4.0重定时器芯片PS8830的优选之策，确保移动通信的正常运行。