端口保護(hù)

USB 端口徹底改變了 PC 外圍設(shè)備，并變得越來越普及，例如，在計(jì)算機(jī)上獲取測量數(shù)據(jù)或安裝軟件更新。作為數(shù)據(jù)傳輸?shù)目偩€系統(tǒng)，在需要連接移動(dòng)設(shè)備的地方隨處可見 USB 端口。雖然日常生活中使用的連接器看似堅(jiān)固，但是 USB 應(yīng)用程序的開發(fā)人員仍不能忽視對(duì)其接口的保護(hù)。

甚至在英特爾的“高速 USB 平臺(tái)設(shè)計(jì)指南”中都提出了人們對(duì) USB 端口電磁敏感性的關(guān)注。

英特爾建議將電流補(bǔ)償扼流圈用于抑制電磁干擾以及將相關(guān)部件用于防止靜電放電。電子元件會(huì)出現(xiàn)靜電放電。因?yàn)殪o電放電脈沖電壓高達(dá) 30 kV，所以會(huì)危害所有類型的集成電路。

雖然目前一些集成電路面對(duì)靜電放電是“安全的”，但這種安全只能在一小部分潛在威脅中得到保證。日常實(shí)踐表明：額外的保護(hù)是不可或缺的。只有具有外部保護(hù)才是完整的無靜電放電基板，從而可研發(fā)高度可靠產(chǎn)品。專門的抑制措施同樣有必要。無線連接電子設(shè)備再生活中無處不在，且數(shù)量還在持續(xù)增長。讓自己的產(chǎn)品不受輻射干擾很重要。只有考慮到預(yù)期的干擾形式，才能將必要的濾波部件迅速融入到設(shè)計(jì)中并縮短研發(fā)時(shí)間。眾所周知，我們也必須將自己的產(chǎn)品輻射干擾維持在一定水平以下。這是電磁兼容性測試實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行的非常精確的評(píng)估。如果產(chǎn)品未能通過此測試，則多次返工成本很快就會(huì)超過濾波部件的成本。

實(shí)際抗干擾性能

說到干擾對(duì) USB 的影響，差模數(shù)據(jù)傳輸提供的優(yōu)勢明顯優(yōu)于簡單的同軸電纜。在感應(yīng)干擾效應(yīng)（磁場）情況中，電線的纏繞可實(shí)現(xiàn)對(duì)干擾效應(yīng)的補(bǔ)償。由于各個(gè)雙絞線的部分電感的對(duì)稱化作用，干擾影響此消彼長。實(shí)際情況中此抗干擾能力會(huì)受到損害。

· 如果 USB 控制器的輸入/輸出不夠?qū)ΨQ，則 USB 信號(hào)顯示出共模干擾。

· 布局并非高頻/電磁兼容的寄生電容且波阻抗匹配的缺乏會(huì)產(chǎn)生共模干擾。

· 因?yàn)?a href="http://www.nxhydt.com/v/tag/167/" target="_blank">電路設(shè)計(jì)（USB 濾波器）不足，所以濾波器會(huì)影響信號(hào)質(zhì)量和/或插入損耗太低。

· 接口設(shè)計(jì)（插座、殼體）不足。接地較差會(huì)降低電纜的屏蔽衰減。濾波器的接地基準(zhǔn)欠佳。

· USB 電纜非對(duì)稱，屏蔽不良，且接地不充分。電纜降低信號(hào)質(zhì)量、輻射信號(hào)諧波且對(duì)外部干擾源沒有充分的屏蔽衰減。

問題：上述部分情況無法去除影響，其中包括購買的 USB 控制器的技術(shù)實(shí)現(xiàn)或者使用“廉價(jià)”USB 電纜的終端用戶。因此，采取的保護(hù)措施必須能夠保護(hù)接口，使其免受外部干擾影響，這些外部干擾可能會(huì)破壞 USB 控制器并影響通過電纜的信號(hào)的干擾輻射。

保護(hù)部件的選擇

將防止靜電放電定義為：按照 EN 61000-4-2 進(jìn)行保護(hù)防止 ESD 脈沖、按照 EN 61000-4-5進(jìn)行保護(hù)防止浪涌脈沖以及按照 EN 61000-4-4 進(jìn)行保護(hù)防止電快速 (EFT) 脈沖。瞬態(tài)電壓抑制器 (TVS) 二極管必須滿足這些功能。這里重要的是：為保護(hù)諸如 USB 的快速數(shù)據(jù)線使其免遭過電壓，應(yīng)采用 TVS 和低寄生電容的陶瓷靜電放電抑制器，以便不會(huì)出現(xiàn) USB 信號(hào)失真的情況。

瞬態(tài)電壓抑制器二極管的電容量必須低于 1 pF，而電容量小于等于 0.2 pF 的陶瓷 ESD抑制器是保護(hù) USB 端口的一個(gè)不錯(cuò)選擇。

在選擇部件時(shí)需要提出的幾個(gè)問題：是否有針對(duì)軌對(duì)軌連接的電源電壓（GND < 輸入/輸出信號(hào) < Vcc）？選取瞬態(tài)電壓抑制器二極管。是否有電源電壓或陶瓷部件是否應(yīng)是首選部件？在此情況下，必須為可浮置的 VDD 端或使用的靜電放電抑制器選擇瞬態(tài)電壓抑制器二極管。其它問題：預(yù)期的最大靜電放電電壓是多少？應(yīng)保護(hù)一個(gè)還是兩個(gè) USB 端口？順便提下，如果將一條 USB 數(shù)據(jù)線連接至瞬態(tài)電壓抑制器二極管的兩個(gè)輸入/輸出引線，則這么做總能提供更好的保護(hù)，這就是為什么最好采用瞬態(tài)電壓抑制器二極管陣列的原因。

請(qǐng)勿忘記電源

對(duì)于端到端電磁兼容合規(guī)性設(shè)計(jì)，電源的濾波也很重要 (VBUS)。許多開發(fā)人員忽略了這個(gè)問題，想知道為什么它們的產(chǎn)品不能通過 EMC 實(shí)驗(yàn)室中的測試。此處介紹的是針對(duì)一個(gè)或兩個(gè) USB 端口的兩個(gè)優(yōu)化設(shè)計(jì)。可采用一個(gè)瞬態(tài)電壓抑制器二極管保護(hù)兩條 USB 線。保護(hù)四條信號(hào)線以及公用電源，使其免遭靜電放電。可通過設(shè)置帶有一個(gè)電流補(bǔ)償數(shù)據(jù)線扼流圈和電容器旨在的濾除輸入時(shí)的共模和差模干擾的 LC 濾波器而實(shí)現(xiàn)再次優(yōu)化。可采用 WE-CBF 系列的 SMD 鐵氧體磁珠在電源處進(jìn)行良好的抑制。（圖 1）

圖 1:具有靜電放電保護(hù)的雙端口 USB 端口

務(wù)必從信號(hào)線到地面連接諸如 WE-VE 系列的靜電放電抑制器的單路保護(hù)部件。不得將低電容靜電放電抑制器用于保護(hù)電源，此處一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的 SMD 壓敏電阻已相當(dāng)足夠。這可吸收更高的能量和更高的峰值電流，所以是設(shè)計(jì)中的首選。（圖 2）

圖 2：與屏蔽數(shù)據(jù)線相比，電源無需低電容靜電放電抑制器。

USB 端口的建議布局

正如圖 3 所示，將兩條不同信號(hào)線（D+ 與 D-）從插塞式連接器傳送到 TVS 二極管，繼續(xù)通過電流補(bǔ)償數(shù)據(jù)線扼流圈，直至 USB 控制器。結(jié)果是獲得了極佳的靜電放電保護(hù)以及良好抑制了數(shù)據(jù)線對(duì)噪聲。通過瞬態(tài)電壓抑制器二極管將 VBUS 傳送到 SMD 鐵氧體。在 SMD 鐵氧體之后，可插入另一個(gè)電容器和另一個(gè) SMD 鐵氧體，從而獲得 PI 濾波器的最大可能衰減。

圖 3：USB 端口的保護(hù)

如果是非常靈敏的集成電路和/或高可靠性研發(fā)，則可通過雙接觸瞬態(tài)電壓抑制器二極管（824 015 型號(hào)）管腳而實(shí)現(xiàn)最佳靜電放電保護(hù)。（圖 4）

圖 4：USB 端口的雙重保護(hù)

更喜歡單路保護(hù)元件的研發(fā)者可采用 WE-VE 系列靜電放電抑制器。務(wù)必從 D+/D 到 GND連接抑制器。此處所示為其它部件的連接。圖 5

圖 5：單路元件保護(hù)

結(jié)論

應(yīng)避免電磁兼容合規(guī)性設(shè)計(jì)中的風(fēng)險(xiǎn)。必須排除威脅數(shù)據(jù)通信完整性的干擾 - 尤其是通過 USB 的數(shù)據(jù)傳輸。雖然電磁兼容性只是“錦上添花”的功能或在規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)中未作要求，但它卻是一個(gè)衡量質(zhì)量的重要特征。為在設(shè)計(jì)中盡早可靠排除電磁兼容性問題，應(yīng)為快速數(shù)據(jù)線的特殊條件定制部件，這樣做將減小研發(fā)工作量，尤其可避免因標(biāo)準(zhǔn)電容兼容測試的結(jié)果不理想而返工。

審核編輯：湯梓紅