TDK的TVS二极管具有先进的USB ESD保护性能

TDK TVS元件可保障USB4®和Thunderbolt®4端口的信号完整性——高速数据线的保护和如何提供定制的ESD保护

电压/电流/过热保护器件

静电放电及其电气现象和保护

USB Type-C连接器和TDK保护解决方案

信号完整性和保护方法

参考资料

产品组合

联系方式

静电放电及其电气现象和保护

采用USB端口的外围设备非常普遍，并且其连接器容易暴露于静电放电 (ESD) 的环境现象中。这种情况下可能会损坏便携式设备内的敏感电子电路。解决这一问题的标准方法是在内部增加保护元件，即通过重定向过电流使其远离敏感的集成电路 (IC) 和吸收传输的能量，从而将更高的潜在破坏性的电压水平抑制在IC的阈值以下。这些保护装置在正常运行期间通常在电路中不可见，且不会损害被保护线路上的通信信号。
不同于已经上市很长时间并且已从其他协议中独立开发的USB 2.0及后续一直到USB 3.2，USB4®和Thunderbolt 3遵循相同的合规测试规范，即《USB4 电气合规测试规范》。不过从信号频率的角度来看，Thunderbolt 3信号和Thunderbolt 4信号是相同的，因此ESD保护解决方案也一样。实际应用中，这意味着为其中一种协议而设计的ESD保护解决方案也适用于另一种协议，因为通信线路中使用的频率是相同的。

USB Type-C连接器和TDK保护解决方案

USB开发者论坛 (USB-IF) 致力于推广最新的协议，旨在通过单一的USB4 Type-C®连接器提供显示、数据传输和加载/存储功能，同时保持与现有USB生态系统的兼容性，包括与Thunderbolt®产品的兼容性。USB4 Type-C® 连接器还支持替代模式 (Alt mode) 下的Thunderbolt 4 (TBT4)系统[参见www.usb.org]。该连接器的两侧采用镜像引脚，实现了正反可插拔，非常方便，因此被广泛采用。不过，这些引脚在日常使用中容易发生ESD事件，因此须采取适当的ESD保护措施。

下图显示了USB-C插头的24个引脚排布。最佳做法是将ESD保护装置尽可能靠近瞬态事件源的地方安装，即靠近连接器。这意味着需要小型化的过电压抑制装置，占板空间不能太大，但必须提供足够的保护。下面描述的24个连接器引脚中，有4个用于接地，无需保护。
插座接口[来源： www.usb.org]

图1：USB Type-C插座接口(正视图)

USB Type-C插座接口(正视图)

A1	A2	A3	A4	A5	A6	A7	A8	A9	A10	A11	A12
GND	TX1+	TX1-	VBUS	CC1	D+	D-	SBU1	VBUS	RX2-	RX2+	GND
GND	RX1+	RX1-	VBUS	SBU2	D-	D+	CC2	VBUS	TX2-	TX2+	GND
B12	B11	B10	B9	B8	B7	B6	B5	B4	B3	B2	B1

由于USB Type-C 插头尖端的可逆设计，并且两侧的D+和D-引脚互为冗余，因此只需连接18个引脚。D-/D+引脚用于连接USB 2.0差分+/-引脚对。因此，当插座侧支持两个USB 2.0差分对引脚(位于上下两行)时，激活的引脚对由插头的朝向决定。

GND - 用于标记接地返回引脚，表示连接到PCB上的所有接地返回引脚。
Tx和Rx引脚用于高速数据，这种引脚的保护须慎重选择，因为这关乎线路上的信号完整性。

VBUS- 总线电源引脚，支持更高的电压和电流，可通过这些引脚快速充电。总线引脚的额定电压可达20V，电流可达5A，最大功率可达100W。

图2：全功能USB Type-C插头（正视图）

全功能USB Type-C插头（正视图）

A12	A11	A10	A9	A8	A7	A6	A5	A4	A3	A2	A1
GND	RX2+	RX2-	VBUS	SBU1	D-	D+	CC	VBUS	TX1-	TX1+	GND
GND	TX2+	TX2-	VBUS	VCONN			SBU2	VBUS	RX1-	RX1+	GND
B1	B2	B3	B4	B5	B6	B7	B8	B9	B10	B11	B12

除了上文提及的USB Type-C端口的优点之外，USB PD(电源传输)协议还支持终端设备快速充电，并为终端用户提供更高的灵活性。USB PD规定的电压高达48 V，并能搭配扩展功率范围 (EPR) 电缆使用【参照《USB Type-C的电缆和连接器规范》，2021年5月】，详情如下所示：

表1：电源选项总览

工作模式	电压	电流	备注
USB 2.0	5 V	参见 USB 2.0
USB 3.2	5 V	参见 USB 3.2
USB4	5 V	1.5 A	参见第5.3部分。
USB BC 1.2	5 V	1.5 A1	Legacy USB充电
USB Type-C电流@ 1.5A 5V	5 V	1.5 A	支持更高功率的设备
USB Type-C Current @ 3.0 A	5 V	3 A	支持更高功率的设备
USB PD	最高可配置为48V	最大可配置为5A	方向控制和功率水平管理

备注 1 :

尽管USB BC 1.2规范允许供电电源被设计为支持0.5A到1.5A的电流水平，但USB Type-C规范要求支持USB BC 1.2的源端口至少能够提供1.5A的电流，同时力推USB Type-C电流@ 1.5A并支持USB BC 1.2供电电源端子。

CC（Configuration Channel）和SBU（Sideband Use），用于检测连接配置和其他支持备用（Alt）模式中的其他协议（例如HDMI协议）的Type-C连接器的附加用途的引脚。[参见USB.org]。这些引脚与VBUS和差分引脚（D+和D-如上图所示）一起被称为低速信号线引脚，而Tx/Rx引脚则连接到高速通信线。
这款USB Type-C 连接器也是欧盟充电器“万用”外围设备连接器的首选。欧洲议会通过颁布新的《无线电设备指令》来加强充电端口和快速充电技术的协调。新的指令在欧洲议会和理事会按照普通立法程序(共同决定)进行调整后，USB Type-C 连接器有望在24个月的过渡期后成为欧盟国家的标准充电器。[参考https://ec.europa.eu/commission/presscorner/detail/en/IP_21_4613］.
USB和充电的进一步标准化可参考IEC IEC 62680-1-2, Ed.5: 2021《数据和电源通用串行总线接口第1-2部分：通用组件 - USB电源传输规范》和IEC 63002, Ed.2: 2021《计算和消费电子设备用外部电源的互操作性规范和通信方法》
TDK新近推出的TVS（瞬态电压抑制）二极管就是专为满足上述应用需求而设计的。高速Tx/Rx引脚的保护需慎重ESD元件，因为选定的抑制器不仅要为ESD瞬态提供强大的过电压保护，而且在正常运行期间还不能损害线路上的信号。该信号使用的数据速率在USB4 20 Gbps端口最高达20gb /s，在USB4 40 Gbps端口则高达40gb /s，并且通常使用两对。这意味着单条线路的数据速率分别高达10 Gb/s和20 Gb/s。这些数据速率对应的频率大致可通过将数据速率减半来计算。因此，对于USB4使用的40 Gbps数据速率，对应的奈奎斯特频率为10 Ghz；而对于较慢的20 Gbps数据速率，对应奈奎斯特频率则为5 Ghz，详情如下表所示。

表2：USB的数据速率和频率

USB的数据速率和频率

	总数据速率	数据速率/线	频率/线
USB 3.2 Gen1	5Gbps	5Gbps	2.5GHz
USB 3.2 Gen2	10Gbps	10Gbps	5GHz
USB 3.2 Gen2x2	20Gbps (2线)	10Gbps	5GHz
USB 4 20G	20Gbps (2线)	10Gbps	5GHz
USB 4 40G	40Gbps (2线)	20Gbps	10GHz

信号完整性和保护方法

将ESD元件并联到数据线不可避免地会产生一些插入损耗，即导致信号质量下降。元件对信号的影响程度可使用对应信号的眼图来确认。当然，为确保元件不会降低信号质量，最好的做法是进行测量和评估。评估时，选用标准化电路，对比带和不带该元件时分别记录的信号测试的眼图。应准备两块相同的可处理高频信号的线路板。如下图所示，其中一块板安装ESD元件，另一个不安装该元件。

图3：带/不带元件的参考板

不带元件的参考板

带元件的参考板

两者施加相同的测试信号，并比较测量结果。
TDK的ULC TVS二极管已使用USB 3.2信号进行测试，并由USB认证的外部实验室——欧陆数字检测 (Eurofins Digital Testing) 实验室进行测量，获得USB 3.2信号测试和眼图认证，并随附如下对应的信号掩码：

图4：USB 3.2 Gen 2眼图（每线10 Gbps，信号频率为5GHz）

USB 3.2 Gen 2眼图（每线10 Gbps，信号频率为5GHz）

带元件

不带元件（测试板参考）

可应要求提供完整的USB 3.2 Gen.2合规测试认证报告。

我们还针对最坏的场景进行了测试，即长通道测试。测试使用Standard-B插座，电缆长度为3米，并根据规范要求增加PCB痕迹。我们还对搭载Micro-B和Type-C产品的主机和设备执行了基于最差通道的测试。ULC产品线下的两款TDK TVS二极管都经过上述测试和评估，并且测试合格。保护元件顺利通过USB 3.2信号测试，意味着该元件能很好地保护高数据速率信号线路，能为线路上的其他元件提供充分的裕度，而且较低的数据速率也是如此。
TDK的ULC TVS二极管还使用USB4信号进行了测试。这些测试中采用了相同的方法，眼图如下所示。

图5：20G眼图

20G眼图

20.0G (Rounded)
TP2 直通板 01005	TP2_带 TDK TVSD SD01005SL-ULC101
TP3 直通板 01005	TP3_带 TDK TVSD SD01005SL-ULC101

其中TP2和TP3点是USB规范中指定的，详情如下。

图6：USB4 TX合规点定义

USB4 TX合规点定义

在上图的TP2和TP3点之间嵌入一个USB-C连接器（用S参数模拟）和一根无源电缆（假设电缆长度：10 Gbps数据速率为2m，20 Gbps数据速率为0.8 m）[参见www.usb.org]。
上述测试和眼图测量采用的测试信号为标称信号。在比较带和不带元件的板的两个测量值时，只能观察到最小的差异，即抖动值略有增加。测试结果表明，TDK的TVS ESD元件在所有测试信号条件下都测试合格。
TDK提供可靠TVS ESD保护二极管兼容 USB 3.2 10 G，以及USB4 20 G 和40 G信号。我们还能应客户要求为相关元件提供USB 3.2信号和USB4测试报告。
TDK的TVS ESD保护二极管兼容USB 3.2和USB4 40 G信号，并有两种尺寸供选择，体积小，非常适合狭小空间应用。EIA(美国电子工业联盟)尺寸为0201的SD0201SL-ULC101采用规定的“晶圆级芯片尺寸封装”(WL-CSP)瞬态电压抑制器 - TVS (SD0201SL-ULC101)，并且EIA尺寸为01005 的SD01005SL-ULC101也采用WL-CSP封装瞬态电压抑制器 - TVS (SD01005SL-ULC101)
凭借合理的衬垫布局，这两种二极管的PCB占板空间极小，并且采用超薄封装，不仅体积小，而且高度降低到100 μ m，因此是受限空间应用的理想选择。ESD保护通常是通过将元件与被保护电路并联来实现，也可以连接到线路的任何位置来保护IC。推荐的方法是将其连接到尽可能靠近干扰源的地方，比如将抑制器靠近连接器连接。通过这种方法，能最大限度降低可能产生的寄生电感。从可能的瞬态源开始，安装在ESD元件后面的所有元件都会受到保护。在此基础上，采用无引线的封装还能排除引脚的所有寄生电感。因此，SMD ESD保护装置非常适合上述应用。二极管动作快和小型SMD WL-CSP封装是ESD元件的两大明显优势。
从信号路径上看，有许多可能的插入损耗源，这可能会降低信号质量。其中包括扼流圈、共模扼流圈、电容器、电缆、插头和连接器等，信号线上的每个部分都会在某种程度上影响信号质量。ESD元件是重要的功能部件，对于保持IC安全，使其免受瞬态过电压的影响至关重要。查看最坏情况下的眼图中的数字，可以观察到裕度(下图紫色括号标记的地方)。除了ESD元件自带的插入损耗，这个裕度是可供开发人员使用的，表示可在线路中安装会带来额外插入损耗的元件。

B74111U0033M060_TVS01005SL datasheet

图7：其他部件的插入损耗电容裕度

其他部件的插入损耗电容裕度

由于USB4和Thunderbolt 4遵守相同的《USB4电气合规测试规范》，因此测试结果同样适用于搭载Thunderbolt信号的线路。

产品组合

适用于上述USB Type-C 连接器引脚排布的完整保护解决方案如下所示。

表3：产品组合

TDK型号	B74121U0033M060	B74111U0033M060	B74121U0055M060	B74111U0055M060	B74121G0160M060	B74121G0200M060
占板空间
封装	WLCSP 0201	WLCSP 01005	WLCSP 0201	WLCSP 01005	WLCSP 0201	WLCSP 0201
厚度	150 μm	100 μm	150 μm	100 μm	150 μm	150 μm
工作电压	3.3 V	3.3 V	5.5 V	5.5 V	16 V	20 V
钳位电压 ITLP = 8A	3.9 V	3.8 V	4.1 V	3.9 V	22 V	26 V
电容 1 MHz	0.65 pF	0.48 pF	0.55 pF	0.43 pF	9 pF	5.3 pF
ESD接触放电	15 kV	15 kV	15 kV	15 kV	15 kV	10 kV
保护的引脚	Tx/Rx	Tx/Rx	D+/D-(Tx/Rx)	D+/D-(Tx/Rx)	VBUS (CCI SBU)	VBUS (CC / SBU)
型号列表

USB Type-C 连接器的引脚

点击瞬态电压抑制器TVS - 面向ICT、消费电子和高速应用的高性能TVS二极管的链接，可获取相应的数据表。
总之，TDK的TVS二极管具有先进的USB ESD保护性能，不仅能为敏感集成电路 (IC) 提供卓越保护，还能针对USB Type-C 端口引脚和其他应用提供定制保护。TDK的TVS二极管尺寸小，高度低，能最小化占板空间，并且保护时具有较低的钳位电压，不会干扰高数据速率的信号，比如测试所示的USB协议和其他高数据速率协议。

        审核编辑：彭菁