如何保护高速接口

本文为电子设计工程师提供了在不影响传输/接收性能或干扰产品尺寸限制的情况下保护高速接口的建议。

考虑了四种通信协议：

通用串行总线 （USB） 标准继续以更高的速度格式发展，

高清多媒体接口 （HDMI），

DisplayPort 接口，

和外部串行高级技术附件 （eSATA）。

表 1 中描述了这些标准的目的及其当前的最大带宽。

表 1.通信协议、功能和最大数据速率

USB接口

USB 端口在个人计算机、计算机外围设备、电子测试和测量仪器以及众多其他产品中无处不在。USB 接口允许在计算机、智能设备和外围设备之间轻松快速地连接。它于 1996 年首次标准化，并一直在以更高的速度发展，并允许为电池供电的设备充电提供更多的电力承载能力。

USB 实施者论坛 （USB-IF）通过四次重大修订升级了该标准。有线 USB 标准从 1.0 版开始，一直到 2.0 版、3.x 版，目前到第 4 版、USB4。

表 2 列出了从 2.0 到 USB4 的版本，并显示了每个版本的最大吞吐量如何大幅增加。

表 2. USB 接口的当前活动版本及其最大数据传输速率

不同的数据速率允许 USB 端口与从慢速键盘到高速视频设备的各种设备连接。设计人员可以利用通用接口，其中信号线不专用于一种设备的特定功能。此外，设计人员可以将 USB 接口设置为对时间要求严格的功能具有低延迟，或在后台进行大量数据传输。

此外，该标准还定义了 USB 版本 1 至 3 的供电 （PD） 版本。PD 版本允许通过 USB 接口对设备进行充电和供电。功率容量从 2.5 W （5 V @0.5A） 增加到 100 W （20 V @ 5A）。

USB 连接器也得到了发展，以实现更高的数据速率和更大的电源可用性。图 1 显示了用于每个 USB 版本的各种连接器的引脚配置和相关连接器尺寸。表 3 显示了每个连接器可以实现的最大数据速率。

图 1.为各种 USB 标准设计的 USB 连接器

表 3. USB 连接器类型的最大数据速率

保护 USB 2.0 接口

USB 2.0 接口由一条 VBUS 电源线和两条数据线组成，如图 2a 所示。

图 2. USB 2.0 和 USB 3.2 接口的推荐保护组件

VBUS 线可以从交流电源线接收其功率，但会受到电流过载和交流电源线上传播的电压瞬变的影响。应在 VBUS 线路上安装自恢复保险丝以防止过载，以便当过载解决后，自恢复保险丝将复位，电路可以继续工作。

聚合物正温度系数 （PPTC） 保险丝是一种自恢复保险丝，其电阻会因过载电流产生的热量而显着增加。PPTC保险丝的内部结构在过载时会发生变化，导致电阻增加。当器件冷却时，低电阻结构恢复。这些保险丝专为最大额定电压通常为 24 V 的低压电路而设计。

PPTC保险丝的其他特点是：

当电流低于保险丝的跳闸额定值时，超低电阻，范围从 mΩ 到约 2 Ω

100 mA 至 9 A 的宽电流额定值范围

快速旅行

0402 至 2920 尺寸的节省空间的表面贴装封装

UL 组件认可和 TUV 认证。

为了保护由 VBUS 线路供电的电路免受电源线感应瞬态和静电放电 （ESD） 冲击，请使用单向瞬态电压抑制器 （TVS） 二极管阵列。这种类型的二极管阵列的版本提供：

能够安全吸收高达 40 A 的电快速瞬变电流和 5 A 的雷击电流

能够承受空中或直接接触的 ±30 kV ESD 冲击

5 V 电路中的最大低漏电流为 0.5 µA

节省空间的 0201 表面贴装封装

确保保护数据线免受可能破坏数据传输的电压瞬变。考虑一个用于数据线保护的 4 通道 TVS 二极管阵列。

图 3 所示的二极管阵列具有以下功能：

安全吸收 +22 kV ESD 空气或直接接触冲击和 – 10 kV ESD 冲击通过空气或直接接触

每个引脚对地的电容为 0.3 pF，对数据线的影响最小。

10 nA 的低漏电流，可将电路负载降至最低。

因此，完全保护 USB 2.0 端口只需要三个组件。

图 3.具有用于瞬态电压保护的齐纳二极管的 4 通道 TVS 二极管阵列

保护 USB 3.2 接口

如上图 2b 所示，USB 3.2 接口包括一条 VBUS 线和六条数据线和控制线。使用推荐的相同组件来保护 VBUS 线路，如针对 USB 2.0 接口讨论过的过流和过压事件。为了保护 6 条数据线免受电压瞬变的影响，请考虑在每个端口上使用分立 TVS 二极管阵列。

单个 TVS 二极管阵列可以具有以下功能：

从电快速瞬变中安全吸收高达 40 A 的峰值电流

ESD 保护高达 ±18 kV 空中和 ±12 kV 直接接触

低漏电流，最大值为 20 nA

0.09 pF pin-pin 的低电容，不会影响信号完整性

使用单独的 TVS 二极管可为高速 USB 端口提供更大的保护，同时降低电容组件，从而将对数据传输容量的影响降至最低。

使用 Power Delivery 修订版保护高速 USB 3.2 和 USB 4.0 接口

USB 3.2 Gen 2x1 及更高版本需要使用 Type-C 连接器。从图1可以看出，Type-C连接器是一种高密度连接器。因此，Type-C 连接器容易因灰尘和污垢进入连接器而导致触点之间的电阻短路。

由于电源引脚上的功率高达 100 W，因此始终存在损坏连接器和相关电路的可能性。使用配置通道 （CC） 线上的数字温度指示器保护 USB Type-C 连接器免受与电阻故障相关的热量，如图 4 所示。

图 4. USB 3.2 和 USB 4.0 Type-C 接口的推荐保护组件

借助 CC 线上的数字温度指示器，它可以在任何功率条件下提供准确的保护，从 5W 等最低级别一直到 USB-C 的最大容量 100W。有关实现此热保护功能的更多详细信息，请参阅USB Type-C 标准。

为了防止瞬变，请考虑使用不同版本的 TVS 二极管阵列。为具有最低电容的 SuperSpeed 线路选择 TVS 二极管阵列。通过选择漏电流低的 TVS 二极管阵列来保持低功耗，特别是对于 VBUS 线路。

如果您的产品将用于汽车行业，请选择符合 AEC-Q101 标准的 TVS 二极管阵列（基于汽车电子委员会故障机制的分立半导体压力测试认证）。

保护 HDMI、DisplayPort 和 eSATA 接口

建议对高清多媒体接口 （HDMI） 、DisplayPort 和 eSATA 接口端口采用类似的保护方案，因此将这三个接口放在一起考虑。HDMI 将来自显示控制器的高清视频和数字音频结合到视频显示设备或音频设备。HDMI 被称为事实上的高清电视标准。自 2004 年以来，HDMI 接口已被纳入产品中。它现在是 2.1 版，可以以最高 48 Gbps 的速率传输数据。

DisplayPort 接口设计用于将视频数据从视频源传输到显示设备，例如 PC 显示器。该接口可以同时传输音频和视频，取代了VGA标准。DisplayPort 于 2006 年首次推出。2.0 版的目标数据速率为 77 Gbps，预计将于今年晚些时候完成。该接口兼容HDMI接口。视频电子标准协会维护 DisplayPort 标准。

串行高级技术附件 （SATA）接口最初由 IBM 为 IBM AT PC 以并行格式开发，它定义了一个接口，该接口现在是磁盘驱动器的行业标准接口。外部 SATA （eSATA） 标准于 2004 年发展，为外部硬盘驱动器连接创建了强大的连接。

保护这三个接口（如图 5 所示）免受瞬态破坏可能需要一个单一的组件类型，即四线 TVS 二极管阵列。

图 5. HDMI、DisplayPort 和 eSATA 接口的推荐保护

图 6 显示了 4 线 TVS 二极管阵列的配置。

图 6.用于抑制四条高速数据线上电压瞬变的 TVS 二极管阵列

TVS 二极管阵列（例如 4 线阵列）提供：

0.2 pF 的超低电容，对传输眼图影响不大

25 nA 漏电流，可实现最低功耗

通过空气或直接接触传输提供高达 ±20 kV 的 ESD 保护

SOD 883 封装以节省 PC 板空间并降低走线布局的复杂性。

保护您的端口可增强产品的稳健性和可靠性

保护传输接口涉及选择在不影响传输信号的情况下为电路提供保护的组件。幸运的是，不需要太多组件。但是，需要考虑的组件范围很广。

在设计和选择保护组件时利用制造商的专业知识来节省宝贵的开发时间。制造商可以帮助就具有成本效益的解决方案提供建议。保护您的设计免受电流过载和电压瞬变的影响，将产生稳健、可靠的设计，从而提高您的产品在市场上的声誉并降低保修期内的服务成本。