、USB發(fā)展歷程與接口分類

由英特爾等多家公司聯(lián)合在1996年推出通用串行總線（英語：Universal Serial Bus，縮寫：USB）是一種串口總線標(biāo)準(zhǔn)，也是一種輸入輸出接口的技術(shù)規(guī)范，被廣泛地應(yīng)用于個(gè)人電腦和移動(dòng)設(shè)備等信息通訊產(chǎn)品，并擴(kuò)展至攝影器材、數(shù)字電視（機(jī)頂盒）、游戲機(jī)等其它相關(guān)領(lǐng)域。最新一代USB 4于 2019年發(fā)布，支持高達(dá) 40 Gbps的連接，同時(shí)提供與 Thunderbolt 3和 4的交叉兼容性。USB 4版本 2.0將最大速度翻倍至 80 Gbps，但可以更高，單向高達(dá) 120 Gbps（下行鏈路為 40 Gbps），為高分辨率顯示器供電，三段式電壓5V/12V/20V，最大供電100W，新型Type C接口允許正反盲插，并向后兼容USB 3.2和 USB 2.0。

圖1 1996-2019 USB協(xié)議通訊速率發(fā)展

隨著USB協(xié)議的推出與發(fā)展出現(xiàn)多種接口外形，USB接口按大類分有三種，即Type-A（電腦上插鼠標(biāo)、鍵盤、U盤的接口）、Type-B（常見于打印機(jī)以及帶觸摸和USB接口的顯示器）、Type-C（支持正反2個(gè)方向插入）；而細(xì)分的話有七種，分別是Standard Type-A、Mini Type-A、Micro type-A，standard Type-B、Mini Type-B、Micro Type-B，Type-C。

圖2 USB外觀類型

Type-C接口作為一種全新的連接標(biāo)準(zhǔn)，不僅逐漸成為各類電子設(shè)備的首選，更在數(shù)據(jù)傳輸、充電速度和便攜性方面帶來了革命性的變革。USB-IF發(fā)布USB4物理層形態(tài)只有Type-C一種：這意味著所有支持USB4的設(shè)備必須使用Type-C接口，確保了設(shè)備之間的兼容性和統(tǒng)一性。

圖3 Type-C引腳定義

二、USB3.X/4.0、Thunderbolt 3/4遭受ESD/EOS原因

日常工作、生活中離不開手機(jī)、筆記本電腦、平板等電子設(shè)備。每次插拔USB充電/數(shù)據(jù)線時(shí)，都可能產(chǎn)生靜電放電ESD或低壓浪涌Surge的干擾。造成該現(xiàn)象的主要原因如下：

1.USB Type-C接口比較小巧，且其金屬觸點(diǎn)之間的距離較小，這使得它們更容易受到靜電放電的影響。

2.USB Type-C接口通常用于連接各種電子設(shè)備，這些設(shè)備可能會(huì)產(chǎn)生不同的靜電放電，從而影響接口的正常工作。

3.人體是常見的靜電源，當(dāng)我們觸摸 USB Type-C接口時(shí)，可能會(huì)將身上的靜電荷傳遞到接口上，引發(fā) ESD危害。

4.熱插拔或充電，沒有做好浪涌防護(hù)會(huì)造成EOS事件發(fā)生。

如果防護(hù)不到位，輕則造成異常或死機(jī)，需要系統(tǒng)重啟，重則端口電路永久性損壞，設(shè)備無法使用。

三、USB3.X/4.0、Thunderbolt 3/4 ESD選型注意事項(xiàng)

在選擇ESD（靜電放電）保護(hù)組件以適配USB 3.X和USB 4.0高速接口時(shí)，需著重考慮以下幾個(gè)關(guān)鍵因素以確保高速信號(hào)的完整性和設(shè)備的安全性：

1.低電容特性：為確保USB 3.X和USB 4.0接口傳輸?shù)母咚傩盘?hào)不受影響，所選ESD保護(hù)器件必須具有極低的電容值。低電容有助于減少信號(hào)衰減和失真，從而確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐暾院头€(wěn)定性。

2.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(hù)組件必須能夠承受較高的ESD電壓沖擊。按照IEC 61000-4-2標(biāo)準(zhǔn)，至少應(yīng)能承受8kV的接觸放電ESD沖擊，以提供足夠的保護(hù)。

3.低鉗位電壓：較低的鉗位電壓表示在ESD事件發(fā)生時(shí)，保護(hù)器件能夠更有效地將電壓限制在安全范圍內(nèi)，避免對(duì)后端電路造成損害。因此，選擇具有低鉗位電壓的ESD保護(hù)組件是保障設(shè)備安全性的重要措施。

四、湖南靜芯深回掃ESD介紹

湖南靜芯在為手機(jī)、電腦等應(yīng)用領(lǐng)域持續(xù)提供高性能解決方案的積淀中，推出SCR工藝回掃特性ESD防護(hù)器件，具有超小封裝體積、超低鉗位電壓、超低結(jié)電容特性，相比常規(guī)工藝 TVS防護(hù)效果更優(yōu)，且不影響信號(hào)完整性，可更有效保護(hù)USB端口免受瞬態(tài)過電壓的影響，為相關(guān)電子產(chǎn)品設(shè)備加固防護(hù)，提升消費(fèi)者使用體驗(yàn)。

1、常規(guī)ESD與回掃型ESD區(qū)別

常規(guī)ESD：其電壓隨著IPP（峰值脈沖電流）的增加而等比例增加，呈現(xiàn)出一個(gè)較為線性的增長(zhǎng)趨勢(shì)。帶回掃ESD：當(dāng)電壓達(dá)到VT1（觸發(fā)電壓）后，ESD器件會(huì)瞬間將兩端的鉗位電壓拉低，進(jìn)入一個(gè)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(zhǎng)速度相比常規(guī)ESD較慢。

帶回掃ESD的優(yōu)點(diǎn)：

1.低鉗位電壓：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(hù)集成電路（IC）及整個(gè)電路的安全；

2.更低ESD鉗位電壓：帶回掃ESD具有更優(yōu)異的ESD保護(hù)能力，能在過ESD事件時(shí)提供更低的鉗位電壓，從而提供更高級(jí)別的系統(tǒng)保護(hù)；

3.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(shè)備的功耗，實(shí)現(xiàn)更節(jié)能的設(shè)計(jì)；

4.更廣泛的應(yīng)用范圍：帶回掃ESD的優(yōu)異性能使其適用于更廣泛的領(lǐng)域，如低壓移動(dòng)電子設(shè)備、汽車電子、工業(yè)控制等對(duì)ESD保護(hù)要求較高的場(chǎng)合。

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

圖3 IV曲線對(duì)比

2、湖南靜芯深回掃產(chǎn)品推薦

靜芯推出超小體積、超低結(jié)電容、超低鉗位電壓的Snap Back（深回掃）ESD器件SEUCS2Z3V1B，該產(chǎn)品專為USB3.X/4.0、Thunderbolt 3/4接口的TX（發(fā)送）和RX（接收）線路設(shè)計(jì)。SEUCS2Z3V1B為單路雙向保護(hù)器件，具備8.0V低觸發(fā)電壓和5V低鉗位電壓特性，滿足18V低壓浪涌（1.2/50us)的過壓保護(hù)需求（VRWM=5.0V MAX，VCL = 5.0V@IPP = 9.0A (8/20us)）。以其更小的容值和更低的鉗位電壓，為高速數(shù)據(jù)傳輸提供了高速信號(hào)線提供優(yōu)異的瞬態(tài)過壓保護(hù)效果，確保了信號(hào)的完整性和設(shè)備的安全性。

圖4基本電性圖

圖5器件TLP曲線

圖6 CV曲線圖

圖7靜電與眼圖測(cè)試

五、USB3.X/4.0、Thunderbolt 3/4接口ESD/EOS防護(hù)方案

1. SuperSpeed TX+ ,TX- ,RX+, RX-差分線

高速差分信號(hào)線，支持高達(dá)40Gbps的超高速USB接口和交替模式的數(shù)據(jù)傳輸。由于接口試圖在傳輸大量?jī)?nèi)容時(shí)仍保持極高速度，因此選擇合適的ESD（TVS)防護(hù)器件至關(guān)重要。推薦用低結(jié)電容0.2PF，小體積CSP0603方便布線,深回掃，低鉗位電壓SEUCS2Z3V1B做靜電保護(hù)，確保信號(hào)完整性。

2. USB 2.0 D+/D- 差分線

用于USB 2.0接口，D+和D-引腳數(shù)據(jù)速率480Mbps，這對(duì)差分線上的電壓正常為5V，考慮線速推薦采用SEUCS2Z3V1B，低結(jié)電容0.2PF ,小體積CSP0603,方便布線。

3.總線電源VBUS

電源線，用于供電?？紤]使用USB-PD滿足充電，推薦采用大功率ESD(TVS) SEHC16F24V1UD做靜電浪涌防護(hù),封裝為DFN1610-2，峰值電流60A,功率1800W。

4. Configuration Channel&Sideband use (SBU)

CC1、CC2：通信通道，用于識(shí)別連接設(shè)備和確定功率方向。SBU1、SBU2：輔助通道，可用于支持高速數(shù)據(jù)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(dá)到20V，這樣CC/SBU引腳容易短路到20V, 為了避免損壞，這兩個(gè)引腳推薦24V ESD（TVS)進(jìn)行保護(hù)：SEUCS2Z24V1B。做好以上這些信號(hào)保護(hù)，USB4將免于發(fā)生一些靜電浪涌事件。

圖8 USB3.X/4.0、Thunderbolt 3/4接口ESD/EOS防護(hù)方案

防護(hù)方案中所使用ESD型號(hào)參數(shù)描述（詳盡參數(shù)請(qǐng)與我司代理聯(lián)系）：

圖9器件基本參數(shù)

湖南靜芯回深淺回掃型單雙向系列ESD器件工作電壓涵蓋1.0~36V，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(wù)，部分型號(hào)如下：

圖10靜芯部分深回掃器件

湖南靜芯是一家專門從事高可靠性器件與芯片設(shè)計(jì)的高新技術(shù)企業(yè)，為客戶提供面向汽車、工業(yè)、物聯(lián)網(wǎng)等高可靠性傳感器及相關(guān)芯片、半導(dǎo)體器件和應(yīng)用系統(tǒng)等產(chǎn)品和服務(wù)。

在分立器件方向具有自帶完整ESD/TVS/TSS/MOS等器件工藝技術(shù)和產(chǎn)品；

在集成電路芯片方向提供高可靠性的光電集成信號(hào)處理/TDS/OVP等芯片技術(shù)和產(chǎn)品；

在設(shè)計(jì)服務(wù)方面提供片上集成抗雷擊高性能ESD/TVS委托開發(fā)設(shè)計(jì)。

審核編輯 黃宇