如何使用 ESD 限流保護(hù)器件保護(hù) USB 主機(jī)端口

當(dāng)今關(guān)于接口技術(shù)的最熱門話題之一是通用串行總線 (USB) Type-C 連接器，因其可逆性、更高的數(shù)據(jù)傳輸、功率傳輸和附加協(xié)議而廣受歡迎。雖然新標(biāo)準(zhǔn)令人興奮，但現(xiàn)實(shí)情況是 USB Type-A 連接器仍然很突出，并且正在被設(shè)計(jì)到今天的終端設(shè)備中。在設(shè)計(jì) USB 主機(jī)端口時(shí)，您應(yīng)該考慮兩個(gè)主要的保護(hù)領(lǐng)域：過流保護(hù)和靜電放電 (ESD) 保護(hù)。

過流保護(hù)

根據(jù)USB 2.0 規(guī)范的第7.2.1.2.1 節(jié)，“出于安全原因，所有主機(jī)和自供電集線器都必須實(shí)施過流保護(hù)?！? 您可以通過使用保險(xiǎn)絲或限流開關(guān)來完成此操作。此外，限流開關(guān)是優(yōu)于保險(xiǎn)絲的首選解決方案，因?yàn)樗试S您在設(shè)計(jì)期間為每個(gè)端口分配更少的功率。在瞬態(tài)事件中，負(fù)載開關(guān)通過在恒流模式下運(yùn)行將輸出電流限制在安全水平。保險(xiǎn)絲將允許電流上升到最大電流水平以上，直到它關(guān)閉。選擇限流開關(guān)允許您選擇更小的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器和電感器，因?yàn)樵撻_關(guān)在過流事件期間可以更準(zhǔn)確地限制電流。限流開關(guān)還允許降低 V壓降在瞬變期間與保險(xiǎn)絲實(shí)現(xiàn)在 5V Vbus 中。

ESD保護(hù)

在設(shè)計(jì) USB 端口時(shí)，您應(yīng)該意識(shí)到 ESD 沖擊的高風(fēng)險(xiǎn)，并考慮使用 ESD 保護(hù)來防止損壞。例如，USB 控制器和收發(fā)器通常根據(jù)人體模型處理 ESD 額定值。此等級(jí)是最古老且最常用于檢測(cè) ESD 靈敏度的等級(jí)。HBM 等級(jí)旨在用于芯片級(jí) ESD 保護(hù)，并不保證系統(tǒng)會(huì)受到更高級(jí)別 ESD 沖擊的保護(hù)。與 HBM 等級(jí)相比，國(guó)際電工委員會(huì) (IEC) 61000-4-2 標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試更高水平的 ESD 能量，如圖 1 所示。對(duì)于系統(tǒng)級(jí)保護(hù)，請(qǐng)考慮選擇更穩(wěn)健的 IEC 61000-4-2標(biāo)準(zhǔn)并使用瞬態(tài)電壓抑制器 (TVS) 二極管。

在 USB 2.0 應(yīng)用中，應(yīng)為 V BUS和數(shù)據(jù)線考慮系統(tǒng)級(jí) ESD 保護(hù)。V BUS需要一個(gè)大電容來處理熱插拔等電源瞬變，因此可以通過該電容通過 IEC 61000-4-2。但是，數(shù)據(jù)線需要不同的方法。高速線路以 480 Mbps 的最大數(shù)據(jù)速率運(yùn)行，這意味著無法添加大電容器來防止 ESD。您將需要一個(gè)低電容 TVS 二極管以降低對(duì)信號(hào)完整性的影響。

完整的解決方案

傳統(tǒng)上，多個(gè)設(shè)備滿足 USB 主機(jī)的保護(hù)要求：一個(gè)用于 Vbus 的限流負(fù)載開關(guān)加上一個(gè)或多個(gè)用于數(shù)據(jù)引腳的 ESD 保護(hù)設(shè)備。TPD3S014結(jié)合了一個(gè)限流開關(guān)和兩個(gè) ESD 保護(hù)通道，構(gòu)成了一個(gè)單芯片 USB 主機(jī)端口解決方案，如圖 2 所示。TPD3S014和TPD3S044在一個(gè)空間內(nèi)分別允許 0.5A 和 1.5A 的連續(xù)電流- 節(jié)省 2.9 mm x 2.8 mm DBV 封裝。

TPD3S014-Q1 集成器件 配有 一個(gè)限流負(fù)載開關(guān)和一個(gè)基于雙通道瞬態(tài)電壓抑制器 (TVS) 的靜電放電 (ESD) 保護(hù)二極管陣列，適用于 USB 接口。TPD3S014-Q1 器件適用于 可能 出現(xiàn)大電容負(fù)載和短路的應(yīng)用(如 USB 接口);TPD3S014-Q1 可提供短路保護(hù)和過流保護(hù)。當(dāng)輸出負(fù)載超過電流限制閾值時(shí)，TPD3S014-Q1 通過在恒定電流模式下運(yùn)行即可將輸出電流限制到安全水平?？焖龠^載響應(yīng)特性有助于減輕 5V 主電源的負(fù)擔(dān)，當(dāng)輸出短路時(shí)可以快速調(diào)節(jié)電源。電流限制開關(guān)的上升和下降此時(shí)受到控制，力求盡量減小器件開關(guān)過程中的浪涌電流。

TPD3S014-Q1 支持 0.5A 的持續(xù)電流。TVS 二極管陣列的額定 ESD 沖擊消散值高于 IEC 61000-4-2 國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的最高水平。此器件高度集成，采用易于布線的 DSV 封裝，可對(duì)音響主機(jī)、USB 集線器和媒體接口等 應(yīng)用 中的 USB 接口提供強(qiáng)力電路保護(hù)

該系列的電流限制具有反向電流阻斷功能，并且是美國(guó)保險(xiǎn)商實(shí)驗(yàn)室 (UL) 認(rèn)可的組件 (UL2367)。它們還為數(shù)據(jù)引腳提供 IEC 61000-4-2(4 級(jí))ESD 保護(hù)。這些器件通過減少器件數(shù)量和縮小印刷電路板 (PCB) 的整體占位面積來簡(jiǎn)化您的設(shè)計(jì)，以確保最佳的 USB 主機(jī)端口保護(hù)。