USB應用中的電磁兼容靜電放電（ESD）保護設計分享

         USB端口對PC外設的發(fā)展起到了革 命性的推動(dòng)作用，并且正變得越來(lái)越流行，比如在采集測量數據或在機器上安裝軟件更新等應用中就非常常見(jiàn)。作為用于數據傳輸的一種總線(xiàn)系統，只要有移動(dòng)設備連著(zhù)的地方就有它的身影。雖然在日常生活中使用的連接器看起來(lái)非常結實(shí)，但USB應用開(kāi)發(fā)人員仍然必須重視這些接口的保護。

         在Intel公司的“高速USB平臺設計指南”中，甚至提高了考慮USB端口易感性因素的重要性。Intel建議用電流補償型扼流圈抑制EMI，再用其它元件防止靜電放電（ESD）。電子設備經(jīng)常會(huì )遭受靜電放電。靜電放電脈沖電壓可能高達30kV，因此對所有類(lèi)型的集成電路來(lái)說(shuō)都是非常危險的。目前有些IC對靜電放電來(lái)說(shuō)是“**的”，但這種**性只是對一小部分潛在威脅來(lái)說(shuō)是有保證的。日常操作表明：額外保護是必不可少的。只有采取外部保護措施才能開(kāi)發(fā)出整塊電路板不受靜電放電影響以及高度可靠的產(chǎn)品來(lái)。專(zhuān)門(mén)的抑制措施同樣也是必需的。無(wú)線(xiàn)聯(lián)網(wǎng)的電子設備如今是遍地開(kāi)花，它們的數量正在與日俱增。

          使自己的產(chǎn)品不受輻射干擾的影響非常重要。只有考慮了預期的干擾形式，才能在設計中及時(shí)集成必要的抑制元件，進(jìn)而縮短開(kāi)發(fā)周期。我們知道，自身產(chǎn)品的輻射型干擾也必須處于某個(gè)電平之下。這可以通過(guò)EMC測試實(shí)驗室進(jìn)行很**的評估。如果產(chǎn)品沒(méi)有通過(guò)這種測試，那么立馬返工的成本將超過(guò)抑制元件成本的好幾倍。

實(shí)際的抗干擾能力

         在提到干擾對USB的影響時(shí)，差分模式數據傳輸與簡(jiǎn)單的同軸電纜相比具有很大的優(yōu)勢。在感性干擾效應（磁場(chǎng)）情況下，導線(xiàn)的絞合可以彌補干擾效應。鑒于每根雙絞線(xiàn)的部分電感的對稱(chēng)性，干擾會(huì )彼此影響補償效果。這種抗干擾效果在實(shí)際應用中會(huì )大打折扣。

●USB控制器的輸入/輸出不是完全對稱(chēng)的，因此USB信號顯示出共模干擾。

●Layout與HF/EMC不兼容，寄生電容和缺少波阻匹配會(huì )產(chǎn)生共模干擾。

●電路設計（USB濾波器）不充分，濾波器影響信號質(zhì)量，和/或插損太低。

●接口設計（插座，外殼）不充分。**的接地會(huì )減小電纜的屏蔽衰耗。濾波器具有**的接地參考。

●USB電纜不對稱(chēng)、屏蔽**以及沒(méi)有足夠好的接地。這種電纜會(huì )劣化信號質(zhì)量，輻射信號諧波，對外部干擾源起不到足夠的屏蔽衰減。

         問(wèn)題：其中一些點(diǎn)可能不受影響，這些點(diǎn)包括外購USB控制器的技術(shù)性實(shí)現，或*終用戶(hù)使用“便宜的”USB電纜。因此必須采取一些預防性措施，防止接口受到可能損壞USB控制器的外部干擾的影響，同時(shí)通過(guò)電纜限制信號的干擾輻射量。

保護元件的選擇

          靜電放電(ESD)保護的定義為：依照EN 61000-4-2標準防止ESD脈沖，依照EN 61000-4-5防止浪涌脈沖，以及依照EN 61000-4-4防止突發(fā)(EFT)脈沖。瞬態(tài)電壓抑制器(TVS)二極管必須滿(mǎn)足這些功能。重要的是：為了保護諸如USB等快速數據線(xiàn)受到過(guò)壓的破壞，應該使用具有低電容特性的TVS和陶瓷ESD抑制器，以免USB信號發(fā)生失真?；谶@個(gè)原因，Würth Elektronik eiSos公司開(kāi)發(fā)出了專(zhuān)門(mén)在這方面作了優(yōu)化的元件，并且在數據線(xiàn)上是不可見(jiàn)的。TVS二極管的電容值不到1pF，電容值*高0.2pF的陶瓷ESD抑制器是保護USB端口的理想選擇。

         在選擇元件時(shí)需要問(wèn)幾個(gè)問(wèn)題：有沒(méi)有用于軌到軌連接的供電電壓((GND < I/O 信號 < Vcc)？用TVS二極管吧。沒(méi)有供電電壓?jiǎn)?，還是應該選用陶瓷元件？在本例中，必須選用TVS二極管，其VDD引腳可以懸空，或使用ESD抑制器。

          進(jìn)一步的問(wèn)題：期望的*大ESD電壓是多少？應該保護一個(gè)還是兩個(gè)USB端口？有時(shí)一條USB數據線(xiàn)會(huì )連接到了TVS二極管的兩個(gè)I/O引腳，這將產(chǎn)生更好的保護效果，這也是為何優(yōu)先使用TVS二極管陣列的原因。

不要忘了電源

           對于一個(gè)端到端的EMC兼容設計而言，對電源(VBUS)進(jìn)行濾波也很重要。許多開(kāi)發(fā)人員忽視了這一點(diǎn)，卻不知道他們的產(chǎn)品為何通不過(guò)EMC實(shí)驗室的測試。這里介紹了針對一個(gè)或兩個(gè)USB端口的兩種優(yōu)化設計。兩條USB線(xiàn)可以用TVS二極管加以保護。所有4條信號線(xiàn)以及公共電源都得到了很好的靜電放電保護。進(jìn)一步的優(yōu)化可以通過(guò)用一個(gè)電流補償式數據線(xiàn)扼流圈和電容，搭建一個(gè)LC濾波器濾除輸入端的共模和差模干擾來(lái)實(shí)現。在電源端使用WE-CBF系列貼片磁珠可以實(shí)現**的抑制性能(圖1)。

圖1：具有靜電放電保護功能的雙端口USB端口。

          單通道保護元件(如WE-VE系列靜電放電抑制器)必須始終連接在信號線(xiàn)與地之間。不必使用小電容的靜電放電抑制器來(lái)保護電源，普通的SMD變阻器就足夠了。它可以吸收較高的能量和較高的電流，因此是設計的**選擇(圖2)。

圖2：與屏蔽數據線(xiàn)不同，電源端不必使用小電容的靜電放電抑制器。

針對USB端口的推薦Layout

        從圖3可以明顯看出，有兩條差分信號線(xiàn)(D 和D-)從插頭連接器連接到TVS二極管，再通過(guò)電流補償式數據線(xiàn)扼流圈連接到USB控制器。這樣能夠得到出色的靜電放電保護功能，并能良好的抑制數據線(xiàn)對。VBUS通過(guò)TVS二極管路由到貼片磁珠。在貼片磁珠之后，可以插入額外的電容和另一個(gè)貼片磁珠來(lái)實(shí)現*大可能的PI濾波器衰減。

圖3：USB端口保護。

           在非常敏感的IC和/或高可靠性開(kāi)發(fā)案例中，通過(guò)兩次連接TVS二極管引腳可以實(shí)現*優(yōu)的靜電放電保護效果(圖4)。

圖4：USB端口的雙重保護。

         希望采用單通道保護元件的開(kāi)發(fā)人員可以使用WE-VE系列靜電放電抑制器。這些抑制器總是必須從D /D-連接到地。還要連接其它一些元件，如圖5所示。

圖5：采用單通道元件的保護機制。

本文小結

         在EMC兼容設計中應避免風(fēng)險。必須要指出的是，干擾會(huì )威脅到數據通信的完整性——特別是對于通過(guò)USB實(shí)現的數據傳輸而言。EMC不是“可有可無(wú)”，或用來(lái)滿(mǎn)足什么法規和標準，而是一種質(zhì)量指標。為了盡可能在設計早期就徹底排除EMC問(wèn)題，業(yè)界推出了專(zhuān)門(mén)針對快速數據線(xiàn)特殊狀態(tài)剪裁的元器件，它們不僅可以減少開(kāi)發(fā)工作量，而且*重要的是可以避免關(guān)鍵的EMC測試結果之后的返工。