方案簡介

USB是一種通用的串行總線標準，定義了數據傳輸協(xié)議和電源供應規(guī)范，用于連接計算機與外部設備。USB接口的設計初衷是為了簡化計算機與外部設備之間的連接，通過一個統(tǒng)一的接口標準來替代以往計算機上眾多的串行和并行接口。最新一代USB 4.0版本1.0于 2019年發(fā)布，支持高達 40 Gbps的連接,最大功率可達100W，同時提供與 Thunderbolt 3和 4的交叉兼容性。USB 4版本 2.0將性能進一步提升， 將最大速度翻倍至 80 Gbps，輸出功率最大可以達到240W。USB4.0物理層形態(tài)只有Type-C一種，新型Type C接口允許正反盲插，并向后兼容 USB 3.2和 USB 2.0。

USB 4.0接口和傳統(tǒng)USB一樣，都為外露設計，使用者可以很方便地即插即用、隨拔即關。然而，這種頻繁的熱插入動作卻潛藏著風險，它極易引發(fā)靜電放電（ESD）等瞬時噪聲問題。當帶電的USB 4.0接口與系統(tǒng)接觸時，電荷的瞬間轉移會產生強大的靜電沖擊，可能導致系統(tǒng)工作異常，影響設備的正常功能，更嚴重的是，它還可能直接損壞USB Type-C控制組件，給用戶帶來不必要的損失和困擾。此方案采用超小體積、超低結電容、超低鉗位電壓的Snap Back（深回掃）ESD靜電防護器件，專為USB 3.X和USB 4.0接口的TX（發(fā)送）和RX（接收）線路提供靜電保護，并采用TDS平緩鉗位器件對總線電源線做靜電浪涌防護，以及常規(guī)型ESD保護D+/D-差分線和靠近VBUS的通信通道，確保信號的完整性和設備的安全性。

USB 4.0的引腳配置

USB 4.0靜電防護要求

在選擇ESD（靜電放電）保護組件以適配USB 4.0高速接口時，需著重考慮以下幾個關鍵因素以確保高速信號的完整性和設備的安全性：

低電容特性：低電容有助于減少信號衰減和失真，從而確保數據傳輸的完整性和穩(wěn)定性。

高ESD耐電壓能力：考慮到靜電放電可能帶來的潛在損害，ESD保護組件必須能夠承受較高的ESD電壓沖擊。

低鉗位電壓：較低的鉗位電壓表示在ESD事件發(fā)生時，保護器件能夠更有效地將電壓限制在安全范圍內，避免對后端電路造成損害。

回掃型ESD提供靜電防護

回掃特性ESD防護器件具有超小封裝體積、超低鉗位電壓、超低結電容特性，相比常規(guī)工藝 TVS防護效果更優(yōu)，且不影響信號完整性，可更有效保護USB端口免受瞬態(tài)過電壓的影響，為相關電子產品設備加固防護，提升消費者使用體驗。

常規(guī)型ESD的電壓會隨著IPP（峰值脈沖電流）的增加而等比例增加，呈現(xiàn)出一個較為線性的增長趨勢。而回掃型ESD器件在當電壓達到VT1（觸發(fā)電壓）后會瞬間將兩端的鉗位電壓拉低，進入一個介于工作電壓VRWM和VT1之間的較低電壓Vh。隨后，隨著電流的增加，電壓逐漸增大，但增長速度相比常規(guī)ESD較慢。其相較于常規(guī)ESD器件的優(yōu)點有：

更低的鉗位電壓：在相同的IPP下，帶回掃ESD的VC（鉗位電壓）比常規(guī)ESD器件低50%以上。這種低鉗位電壓有助于提前釋放能量，更有效地保護集成電路（IC）及整個電路的安全；

更低的漏電流：這類ESD器件具有更低的漏電流，有助于降低設備的功耗，實現(xiàn)更節(jié)能的設計；

更廣泛的應用范圍：帶回掃ESD的優(yōu)異性能使其適用于更廣泛的領域，如低壓移動電子設備、汽車電子、工業(yè)控制等對ESD保護要求較高的場合。

通過對比常規(guī)ESD和帶回掃ESD的特性曲線圖及其優(yōu)點，可以看出帶回掃ESD在ESD保護方面具有更出色的性能和應用前景。

應用示例

SuperSpeed TX+ ,TX- ,RX+, RX-差分線

高速差分信號線，支持高達40Gbps的超高速USB接口和交替模式的數據傳輸。由于接口試圖在傳輸大量內容時仍保持極高速度，因此選擇合適的ESD防護器件至關重要。推薦用低結電容0.2PF，小體積CSP0603-2L方便布線,深回掃，低鉗位電壓SEUCS2Z3V1B做靜電保護，符合IEC 61000-4-2 (ESD)規(guī)范，在 ±15kV（空氣）和 ±15kV（接觸）下提供瞬變保護，確保信號完整性。

D+/D-差分線

用于兼容USB 2.0接口，D+和D-引腳數據速率480Mbps，這對差分線上的電壓正常為3.3V，考慮線速推薦采用SELC2X5V1BT，低結電容0.3PF ,小體積DFN0603-2L方便布線,符合IEC 61000-4-2 (ESD)規(guī)范，在 ±25（空氣）和 ±22kV（接觸）下提供瞬變保護，

總線電源VBUS

電源線，用于供電?？紤]使用USB-PD滿足充電，推薦采用TDS平緩鉗位器件ESTVS2200DRVR做靜電浪涌防護, DFN封裝，峰值電流27A,符合IEC 61000-4-2 (ESD)規(guī)范，在 ±30kV（空氣）和 ±30kV（接觸）下提供瞬變保護。

該TDS器件可用于PD接口防護，一旦瞬態(tài)電壓攀升至超過集成精密觸發(fā)器所設定的擊穿電壓（VBR）閾值，觸發(fā)器即會立即啟動，激活與之相連的驅動電路。這一動作迅速使浪涌級FET由截止轉變?yōu)閷顟B(tài)，進而將可能損害電路的巨大瞬態(tài)能量（IPP）引導并安全地釋放至地。

Configuration Channel&Sideband use (SBU)

CC1、CC2：通信通道，用于識別連接設備和確定功率方向。SBU1、SBU2：輔助通道，可用于支持高速數據或其他功能。CC/SBU引腳緊挨著 VBUS引腳。使用USB-PD的話，VBUS引腳電壓可以達到20V，這樣CC/SBU引腳容易短路到20V, 為了避免損壞，這兩個引腳推薦24V ESD SELC3D24V1BA進行保護。

型號參數

電氣特性表

At TA = 25℃ unless otherwise noted

表1 SEUCS2Z3V1B電氣特性表

表2 SEHC16F24V1UD電氣特性表

表3 ESTVS2200DRVR電氣特性表

總結與結論

由于USB 4.0接口在數據傳輸中的重要作用，保護USB 4.0接口免受ESD靜電損害極為關鍵。ELECSUPER SEMI深淺回掃型單雙向系列ESD器件工作電壓涵蓋2.5~36V，電流涵蓋4~30A，0.1pF極低電容，封裝涵蓋CSP、FC及各類封裝形式，可按照客戶需求性能與封裝提供定制化開發(fā)服務。同時ELECSUPER SEMI推出首款22V/40VTDS平緩鉗位器件可用于業(yè)內USB 3.0接口、PD接口、工業(yè)機器人、IO-Link接口、工業(yè)傳感器和IIoT設備、可編程邏輯控制器(PLC)和以太網供電(PoE)的電源端口防護,其擁有更強的防浪涌能力、更低的鉗位電壓可為電子器件提供更好的防護。

審核編輯 黃宇