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。
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原文标题:AT32 MCU USB接口ESD防护设计指南
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