AT32讲堂014 | AT32 MCU USB接口ESD防护设计指南

描述

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

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表1. JS-001-2017标准等级分类

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图2. IEC61000-4-2标准测试波形

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表2. IEC61000-4-2标准等级分类

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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

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  • 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

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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。

 

关于雅特力雅特力科技于2016年成立,是一家致力于推动全球市场32位微控制器(MCU)创新趋势的芯片设计公司,专注于ARM Cortex-M4/M0+的32位微控制器研发与创新,全系列采用55nm先进工艺及ARM Cortex-M4高效能或M0+低功耗内核,缔造M4业界最高主频288MHz运算效能,并支持工业级别芯片工作温度范围(-40°~105°)。雅特力目前已累积相当多元的终端产品成功案例:如微型打印机、扫地机、光流无人机、热成像仪、激光雷达、工业缝纫机、伺服驱控、电竞周边市场、断路器、ADAS、T-BOX、数字电源、电动工具等终端设备应用,广泛地覆盖5G、物联网、消费、商务及工控等领域。

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