USB接口的ESD保护设计方案

概述

USB接口的可热插拔特性会容易受静电损坏器件，造成死机、烧板、掉线等。在USB接口上设计ESD保护是必要的，USB ESD设计需要满足JS-001-2017（HBM）和IEC61000-4-2两个标准。HBM要求设备USB接口能够承受高达2 kV的放电，图1和表1为JS-001-2017标准测试波形和等级分类。图2和表2为IEC61000-4-2标准测试波形和等级分类。 图1. JS-001-2017标准测试波形

表1. JS-001-2017标准等级分类

图2. IEC61000-4-2标准测试波形

表2. IEC61000-4-2标准等级分类

   

ESD保护设计要点

在USB接口设计时建议加入ESD保护器件并加入VBUS侦测电路检测过压。设计要点列出如下：

ESD保护器件应尽量靠近USB插座接口放置（ESD进入点）

VBUS、USB数据线（USB_D+/USB_D-）、ID（若为OTG）都要进行ESD保护

图3. USB ESD保护电路

VBUS的走线尽量远离D+/D-

USB插座金属壳要与设备外壳地可靠连接

设备不需要VBUS提供电源时，可通过电阻分压后连接于AT32的非5 V耐压的一般GPIO，或直接连接于5 V耐压的GPIO，作为VBUS侦测信号

图4. VBUS侦测电路

ESD保护器件的选择

USBFS的传输速率达到12 Mbps，一般选用TVS阵列管来实现ESD防护。当ESD事件到来时，TVS中的二极管会正向导通，使得瞬态电流绕过敏感的CMOS器件，将瞬态高压降低到钳位电压值，进而实现对接口电路的保护。  

钳位电压

在ESD事件到来时，保护器件对高压脉冲钳制到钳位电压，并且分流大部分脉冲电流到地，以保护后端敏感器件。但是，仍然会有残余电流流入受保护器件，ESD事件期间的峰值电流是通过ESD保 护器件的分流电流与流入受保护器件的残余电流之和。受保护器件承受的功率取决于ESD保护器件的钳位电压和流入的残余电流。

钳位电压可用以下公式计算：

钳位电压（VCL）=VBR+Io（残余电流）x Ro（受保护器件电阻）

在选择ESD保护器件钳位电压时，设计人员必需了解使用何种测试设置来确定数值。根据IEC61000-4-2 Level 4标准，ESD脉冲具有少于1 ns的上升时间和小于100 ns的持续时间，以及30 A峰值电流。具有5 V钳位电压的ESD保护二极管可能在实际的ESD测试中出现超过30 V的钳位电压。如果不了解这一点，设计人员可能会仅仅根据数据表中最低钳位电压来选择ESD保护器件。

信号完整性

在数据传输系统中要求确保接收器达到一定的信号完整性水平，信号的上升、下降时间是由整个传输路径阻抗来限制的，并且结合了接口的所有寄生电容。这些寄生电容可能由不匹配的PCB线路、USB插座引脚或其它并联电容引起，因此要求ESD保护器件的电容必须小，并且也要能提供足够的ESD防护能力。  

审核编辑：汤梓红