USB 4.0静电保护方案

方案简介

USB是一种通用的串行总线标准，定义了数据传输协议和电源供应规范，用于连接计算机与外部设备。USB接口的设计初衷是为了简化计算机与外部设备之间的连接，通过一个统一的接口标准来替代以往计算机上众多的串行和并行接口。最新一代USB 4.0版本1.0于 2019年发布，支持高达 40 Gbps的连接,最大功率可达100W，同时提供与 Thunderbolt 3和 4的交叉兼容性。USB 4版本 2.0将性能进一步提升， 将最大速度翻倍至 80 Gbps，输出功率最大可以达到240W。USB4.0物理层形态只有Type-C一种，新型Type C接口允许正反盲插，并向后兼容 USB 3.2和 USB 2.0。

USB 4.0接口和传统USB一样，都为外露设计，使用者可以很方便地即插即用、随拔即关。然而，这种频繁的热插入动作却潜藏着风险，它极易引发静电放电（ESD）等瞬时噪声问题。当带电的USB 4.0接口与系统接触时，电荷的瞬间转移会产生强大的静电冲击，可能导致系统工作异常，影响设备的正常功能，更严重的是，它还可能直接损坏USB Type-C控制组件，给用户带来不必要的损失和困扰。此方案采用超小体积、超低结电容、超低钳位电压的Snap Back（深回扫）ESD静电防护器件，专为USB 3.X和USB 4.0接口的TX（发送）和RX（接收）线路提供静电保护，并采用TDS平缓钳位器件对总线电源线做静电浪涌防护，以及常规型ESD保护D+/D-差分线和靠近VBUS的通信通道，确保信号的完整性和设备的安全性。

USB 4.0的引脚配置

Pin	名称	功能描述	Pin	名称	功能描述
A1	GND	接地	B1	GND	接地
A2	SSTXp1	超高速差分信号 #1，TX，正	B2	SSRXp1	超高速差分信号 #1，RX，正
A3	SSTXn1	超高速差分信号 #1，TX，负	B3	SSRXn1	超高速差分信号 #1，RX，负
A4	VBUS	总线电源	B4	VBUS	总线电源
A5	CC1	Configuration Channel	B5	SBU2	Sideband Use (SBU)
A6	Dp1	USB2.0差分信号Position1，正	B6	Dn2	USB2.0差分信号position2，负
A7	Dn1	USB2.0差分信号Position1，负	B7	Dp2	USB2.0差分信号position2，正
A8	SBU1	Sideband Use (SBU)	B8	CC2	Configuration channel
A9	VBUS	总线电源	B9	VBUS	总线电源
A10	SSRXn2	超高速差分信号 #2，RX，负	B10	SSTXn2	超高速差分信号 #2，TX，负
A11	SSRXp2	超高速差分信号 #2，RX，正	B11	SSTXp2	超高速差分信号 #2，TX，正
A12	GND	接地	B12	GND	接地

USB 4.0静电防护要求

在选择ESD（静电放电）保护组件以适配USB 4.0高速接口时，需着重考虑以下几个关键因素以确保高速信号的完整性和设备的安全性：

低电容特性：低电容有助于减少信号衰减和失真，从而确保数据传输的完整性和稳定性。

高ESD耐电压能力：考虑到静电放电可能带来的潜在损害，ESD保护组件必须能够承受较高的ESD电压冲击。

低钳位电压：较低的钳位电压表示在ESD事件发生时，保护器件能够更有效地将电压限制在安全范围内，避免对后端电路造成损害。

回扫型ESD提供静电防护

回扫特性ESD防护器件具有超小封装体积、超低钳位电压、超低结电容特性，相比常规工艺 TVS防护效果更优，且不影响信号完整性，可更有效保护USB端口免受瞬态过电压的影响，为相关电子产品设备加固防护，提升消费者使用体验。

常规型ESD的电压会随着IPP（峰值脉冲电流）的增加而等比例增加，呈现出一个较为线性的增长趋势。而回扫型ESD器件在当电压达到VT1（触发电压）后会瞬间将两端的钳位电压拉低，进入一个介于工作电压VRWM和VT1之间的较低电压Vh。随后，随着电流的增加，电压逐渐增大，但增长速度相比常规ESD较慢。其相较于常规ESD器件的优点有：

更低的钳位电压：在相同的IPP下，带回扫ESD的VC（钳位电压）比常规ESD器件低50%以上。这种低钳位电压有助于提前释放能量，更有效地保护集成电路（IC）及整个电路的安全；

更低的漏电流：这类ESD器件具有更低的漏电流，有助于降低设备的功耗，实现更节能的设计；

更广泛的应用范围：带回扫ESD的优异性能使其适用于更广泛的领域，如低压移动电子设备、汽车电子、工业控制等对ESD保护要求较高的场合。

通过对比常规ESD和带回扫ESD的特性曲线图及其优点，可以看出带回扫ESD在ESD保护方面具有更出色的性能和应用前景。

应用示例

SuperSpeed TX+ ,TX- ,RX+, RX-差分线

高速差分信号线，支持高达40Gbps的超高速USB接口和交替模式的数据传输。由于接口试图在传输大量内容时仍保持极高速度，因此选择合适的ESD防护器件至关重要。推荐用低结电容0.2PF，小体积CSP0603-2L方便布线,深回扫，低钳位电压SEUCS2Z3V1B做静电保护，符合IEC 61000-4-2 (ESD)规范，在 ±15kV（空气）和 ±15kV（接触）下提供瞬变保护，确保信号完整性。

D+/D-差分线

用于兼容USB 2.0接口，D+和D-引脚数据速率480Mbps，这对差分线上的电压正常为3.3V，考虑线速推荐采用SELC2X5V1BT，低结电容0.3PF ,小体积DFN0603-2L方便布线,符合IEC 61000-4-2 (ESD)规范，在 ±25（空气）和 ±22kV（接触）下提供瞬变保护，

总线电源VBUS

电源线，用于供电。考虑使用USB-PD满足充电，推荐采用TDS平缓钳位器件ESTVS2200DRVR做静电浪涌防护, DFN封装，峰值电流27A,符合IEC 61000-4-2 (ESD)规范，在 ±30kV（空气）和 ±30kV（接触）下提供瞬变保护。

该TDS器件可用于PD接口防护，一旦瞬态电压攀升至超过集成精密触发器所设定的击穿电压（VBR）阈值，触发器即会立即启动，激活与之相连的驱动电路。这一动作迅速使浪涌级FET由截止转变为导通状态，进而将可能损害电路的巨大瞬态能量（IPP）引导并安全地释放至地。

Configuration Channel&Sideband use (SBU)

CC1、CC2：通信通道，用于识别连接设备和确定功率方向。SBU1、SBU2：辅助通道，可用于支持高速数据或其他功能。CC/SBU引脚紧挨着 VBUS引脚。使用USB-PD的话，VBUS引脚电压可以达到20V，这样CC/SBU引脚容易短路到20V, 为了避免损坏，这两个引脚推荐24V ESD SELC3D24V1BA进行保护。

型号参数

型号	方向	工作电压(V)	电流 (A)	钳位电压 (V)	结电容 （pF）	封装
SEUCS2Z3V1B	Bi.	3.3	9	5	0.2	CSP0603-2L
SEHC16F24V1UD	Uni.	24	60	31	200	DFN1610-2L
SEUCS2Z24V1BA	Bi.	24	9	8	0.4	DFN0603
ESTVS2200DRVR	Uni.	22	27	30.8	150	DFN

电气特性表

At TA = 25℃ unless otherwise noted

Parameter	Symbol	Conditions	Min.	Typ.	Max.	Units
Reverse Stand-off Voltage	VRWM				3.3	V
Reverse Breakdown Voltage	VBR	IT=1mA	6.0	8.8	10.0	V
Reverse Leakage Current	IR	VRWM=3.3		1	100	nA
Clamping Voltage	VC	IPP=1A; tp=8/20us		1		V
Clamping Voltage	VC	IPP=9A; tp=8/20us		5		V
Clamping Voltage	VC	Ipp=16A，tlp=100ns		6		V
Junction Capacitance	CJ	VR=0V; f=1MHz		0.2	0.25	pF

表1 SEUCS2Z3V1B电气特性表

Part Number	VRWM (Max.)	VBR(Min.)	VCL@I=1A (Typ.)	IPP (Max.)	VCL@I=IPP (Typ.)	IR (Max.)	CO(Typ.)
	(V)	(V)	(V)	(A)	(V)	(uA)	(pF)
SEHC16F24V1UD	24	25.5	30.0	60	31.0	1.0	200

表2 SEHC16F24V1UD电气特性表

Parameter	Symbol	Conditions	Min.	Typ.	Max.	Units
反向工作电压	VRWM			22		V
反向击穿电压	VBR	IT=1mA		27.5		V
反向漏电	IR	VRWM=22V		1		nA
正向电压	VF	IT=1mA		0.55		V
钳位电压	VCL	IPP=9A; tp=8/20us		28.4		V
	VCL	IPP=27A; tp=8/20us		30.8		V
导通电阻	RDYN*	tp=8/20us		96		mΩ
结电容	CJ	VR=22V; f=1MHz		150		pF

表3 ESTVS2200DRVR电气特性表

总结与结论

由于USB 4.0接口在数据传输中的重要作用，保护USB 4.0接口免受ESD静电损害极为关键。ELECSUPER SEMI深浅回扫型单双向系列ESD器件工作电压涵盖2.5~36V，电流涵盖4~30A，0.1pF极低电容，封装涵盖CSP、FC及各类封装形式，可按照客户需求性能与封装提供定制化开发服务。同时ELECSUPER SEMI推出首款22V/40VTDS平缓钳位器件可用于业内USB 3.0接口、PD接口、工业机器人、IO-Link接口、工业传感器和IIoT设备、可编程逻辑控制器(PLC)和以太网供电(PoE)的电源端口防护,其拥有更强的防浪涌能力、更低的钳位电压可为电子器件提供更好的防护。

审核编辑 黄宇