保護高速傳輸接口

現有眾多通信電路和協(xié)議服務(wù)于廣泛的應用領(lǐng)域。由于這些電路在不同的設備之間傳輸和接收數據，因此這些設備接口的端口所面臨的外部威脅會(huì )危及到電路，包括閃電引起的電流過(guò)載和電壓瞬變、電氣快速瞬變（EFT）和靜電放電（ESD）。因此，這些電路需要采用保護措施以避免外部威脅造成的損壞，但不能影響設備接口的傳輸協(xié)議。實(shí)施電路保護方案后，通信電路必須可靠地傳輸未損壞的數據；而且，接收器必須準確地檢測和解碼信息，以獲取完整的原始數據。

本文提供重要建議，使電子設計工程師能夠保護高速接口，同時(shí)不妨礙傳輸/ 接收性能，也不會(huì )影響產(chǎn)品尺寸限制。

我們在這里考慮四種通信協(xié)議：不斷發(fā)展以提高速度的通用串行總線(xiàn)（USB）標準、高清多媒體接口（HDMI）、DisplayPort 接口和外部串行高級技術(shù)附件（eSATA）。表1 描述了這些標準的用途及當前的最大帶寬。

表1 通信協(xié)議、功能和最大數據速率

1   USB接口

USB 端口無(wú)處不在，包括個(gè)人計算機、計算機外圍設備、電子測試和測量?jì)x器以及眾多其他產(chǎn)品。USB 接口允許在計算機、智能設備和外圍設備之間輕松快速地進(jìn)行連接。USB 于1996 年首次標準化，并且一直發(fā)展演進(jìn)，不僅速度提高，也提供更大的載電能力，允許為電池供電設備進(jìn)行充電操作。

USB 開(kāi)發(fā)者論壇（USB-IF）一直對USB 標準進(jìn)行升級，已推出了四個(gè)主要修訂版本[1]。從1.0 版本開(kāi)始，經(jīng)過(guò)2.0 版本、3.x 版本演進(jìn)，有線(xiàn)USB 標準目前已升級到修訂版本4（USB 4）。表2 列出了從USB 2.0到USB 4 的各個(gè)版本，顯示了每個(gè)版本的最大吞吐量如何大幅增加。不同的數據速率允許USB 端口與各種設備進(jìn)行連接，從慢速鍵盤(pán)到高速視頻設備。設計人員可以充分利用通用接口的優(yōu)勢，其中信號線(xiàn)并非專(zhuān)用于一種設備的特定功能。此外，設計人員可以設置USB 接口，以實(shí)現針對時(shí)間關(guān)鍵型功能的低延遲特性或者支持在后臺運行的大量數據傳輸。該標準還定義了USB 標準1 ～ 3 的供電（PD）版本。PD 版本允許設備通過(guò)USB接口充電和供電。電源容量從2.5 W（5 V@ 0.5 A）增加到100 W（20 V @ 5 A）。

表2 當前活躍的USB接口版本及其最大數據傳輸速率

USB 連接器已經(jīng)發(fā)展到能夠實(shí)現更高的數據速率和更高的電源可用性。圖1 顯示了用于各個(gè)USB 標準版本的不同連接器引腳配置和相對連接器尺寸。表3則顯示了每款連接器可以達到的最大數據速率。

圖1 針對不同USB標準設計的USB連接器

表3 各種類(lèi)型USB連接器的最大數據速率

2   保護USB 2.0接口

如圖2a 所示，USB 2.0 接口由一條Vbus 電源線(xiàn)和兩條數據線(xiàn)組成。Vbus 線(xiàn)可以從交流電源線(xiàn)接收電源，但會(huì )受到在交流電源線(xiàn)上傳播的電流過(guò)載和電壓瞬變事件的影響。應當在Vbus 線(xiàn)路上安裝自恢復保險絲以防止過(guò)載；在過(guò)載問(wèn)題解決后，自恢復保險絲將會(huì )復位，使得電路可以繼續正常工作。聚合物正溫度系數（PPTC）保險絲是一種自恢復保險絲，其電阻因過(guò)載電流產(chǎn)生的熱量而大幅增加。PPTC 熔斷器的內部結構在過(guò)載時(shí)會(huì )發(fā)生變化，從而導致電阻增加。當器件冷卻時(shí)，則恢復低電阻的結構。PPTC 保險絲設計用于最大額定電壓通常為24 V 的低壓電路，其他特性包括：

●   當電流低于保險絲的維持電流額定值時(shí)，具有范圍從mΩ 到約2 Ω 的超低電阻；

●   從100 mA 至9 A 的寬額定電流范圍；

●   快速動(dòng)作；

●   采用0402 至2920 尺寸的表面貼裝封裝，以節省空間；

●   UL 組件認可和TUV批準。

為了保護由Vbus 線(xiàn)路供電的電路免受電源線(xiàn)感應瞬變和靜電放電（ESD）沖擊的影響，請使用單向瞬態(tài)電壓抑制器（TVS）二極管陣列。不同型款的二極管陣列提供：

●   安全吸收高達40 A的電氣快速瞬變電流和5 A 的雷擊電流；

●   承受±30 kV ESD 沖擊，無(wú)論通過(guò)空氣或直接接觸；

●   5 V 電路中的最大低漏電流為0.5 μA；

●   節省空間的0201 表面貼裝封裝。

為保護數據線(xiàn)，免受可能破壞數據傳輸的電壓瞬變事件的影響?？紤]使用四通道TVS 二極管陣列以保護數據線(xiàn)，圖3 所示的二極管陣列具有以下功能：

●   通過(guò)空氣或直接接觸，安全吸收+22 kV ESD和–10 kV ESD 沖擊；

●   每個(gè)引腳的對地電容為0.3 pF，對數據線(xiàn)的影響最小化；

●   10 nA 的低漏電流，實(shí)現最小的電路負載。

因此，只需3 個(gè)組件即可完全保護USB 2.0 端口。

●   0.09 pF 引腳到引腳低電容，不會(huì )影響信號完整性。

使用單獨的TVS 二極管可以為高速USB 端口提供更好的保護，并使用更低電容的組件，從而最大限度地減小對數據傳輸容量的影響。

圖2 推薦用于USB 2.0和USB 3.2接口的保護組件

4   修訂P D 以保護高速USB 3.2和USB 4.0接口

USB 3.2 Gen 2x1 及更高版本要求使用Type-C連接器。從圖1 可以看出，Type-C 連接器是高密度連接器，由于灰塵和污垢可能進(jìn)入其中，所以Type-C 連接器可能容易受到觸點(diǎn)之間電阻短路的影響。由于電源引腳上的功率高達100 W，因此始終有可能損壞連接器和相關(guān)電路。如圖4 所示，通過(guò)使用配置通道（CC）線(xiàn)路上的數字溫度指示器，防止USB Type-C 連接器受到與電阻故障相關(guān)的發(fā)熱影響。通過(guò)CC 線(xiàn)路上的數字溫度指示器，可以在任何電源情況下提供準確的保護功能，從最低水平（ 例如5 W） 直到USB Type-C 連接器的最大容量100 W。如要了解有關(guān)實(shí)施這項熱保護功能的更多詳細信息，請參閱USB Type-C標準^[2]。

為了防止瞬變事件影響，請考慮使用不同型款TVS 二極管陣列?？蔀镾uperSpeed 系列USB 接口選擇具有最低電容的TVS 二極管陣列。通過(guò)選擇具有低漏電流的TVS 二極管陣列來(lái)保持低功耗特性，特別是對于Vbus 線(xiàn)路。如果用戶(hù)的產(chǎn)品將用于汽車(chē)行業(yè)，請選擇符合AEC-Q101 認證組件規范的TVS 二極管陣列（AEC-Q101 是汽車(chē)電子委員會(huì )基于失效機制的分立半導體應力測試認證規范）^[3]。

圖3 帶有齊納二極管的四通道TVS二極管陣列用于瞬態(tài)電壓保護

圖4 推薦用于USB 3.2和USB 4.0 Type-C接口的保護組件

5   保護HDMI、DisplayPort和eSATA接口

建議高清晰度多媒體接口（HDMI）、DisplayPort和eSATA 接口端口采用類(lèi)似的保護方案，因此可以結合考慮這三種接口。HDMI 結合來(lái)自顯示控制器的高清視頻和數字音頻內容，接入到視頻顯示設備或音頻設備^[4]。HDMI 被稱(chēng)為事實(shí)上的高清電 視標準。自2004 年起HDMI 接口就被納入產(chǎn)品中。目前最新的2.1版本標準能夠以最大48 Gbps 速率傳輸數據。DisplayPort 接口旨在將視頻數據從視頻源傳輸到顯示設備，例如PC 顯示器。這種可以同時(shí)傳輸音頻和視頻的接口取代了VGA 標準。DisplayPort 于2006年首次推出。2.0 版本的目標數據速率為77 Gbps，預計將于今年晚些時(shí)候完成。DisplayPort 接口兼容HDMI 接口。視頻電子標準協(xié)會(huì )（VESA） 維護DisplayPort 標準^[5]。

串行高級技術(shù)附件（SATA）接口最初是由IBM為IBM AT PC 以并行格式開(kāi)發(fā)的，從而定義了一款接口，現在它是磁盤(pán)驅動(dòng)器的行業(yè)標準接口^[6]。2004 年發(fā)展制訂了外部SATA（eSATA）標準，可為外部硬盤(pán)驅動(dòng)器連接創(chuàng )建穩健的連接。

為了保護這三種接口（如圖5 所示）免受瞬變事件破壞，可能需要使用單一組件類(lèi)型，即四線(xiàn)TVS 二極管陣列。圖6 顯示了四線(xiàn)TVS 二極管陣列的配置。這些TVS 二極管陣列提供：

●   0.2 pF 的超低電容，對傳輸眼圖影響不大；

●   25 nA 漏電流，可實(shí)現最低功耗；

●   通過(guò)空氣或直接接觸傳輸提供高達±20 kV 的ESD 保護。

圖5 推薦用于HDMI、DisplayPort和eSATA接口的保護組件

圖6 用于抑制四條高速數據線(xiàn)上的電壓瞬變的TVS二極管陣列

6   保護端口增強產(chǎn)品的穩健性和可靠性

保護傳輸接口，包括選擇可保護電路而不會(huì )影響傳輸信號的組件。幸運的是，這里不需要使用很多的組件，但是，需要考慮的組件范圍很廣。用戶(hù)可以借助制造商的專(zhuān)業(yè)知識來(lái)設計和選擇保護組件，以節省寶貴的開(kāi)發(fā)時(shí)間。制造商可以提供高成本效益解決方案的建議，防止用戶(hù)設計受到電流過(guò)載和電壓瞬變狀況的影響，實(shí)現穩健可靠的設計，從而提高客戶(hù)產(chǎn)品在市場(chǎng)上的聲譽(yù)，并降低保修期內的服務(wù)成本。

參考文獻：

[1] USB開(kāi)發(fā)者論壇網(wǎng)站[EB/OL].https://www.usb.org/.

[2] 通用串行總線(xiàn)Type-C電纜和連接器規范[EB/OL].2.0版.USB開(kāi)發(fā)者論壇(USB-IF),Inc.[2019-8].https://usb.org/document-library/usb-type-cr-cable-and-connectorspecification-revision-20-august-2019.

[3] 汽車(chē)電子委員會(huì )網(wǎng)站(AECMain(aecouncil.com))[EB/OL].http://aecouncil.com/index.html.

[ 4 ] 高清多媒體接口網(wǎng)站( H D M I 論壇) [ E B /OL ] . . h t t p s : / /hdmiforum.org/.

[5] 視頻電子標準協(xié)會(huì )網(wǎng)站(VESA–顯示行業(yè)接口標準[EB/OL]).https://vesa.org/.

[6] 串行ATA國際組織網(wǎng)站(SATA-IO(sataio . o r g ) ) . [ E B / O L ] .https://sata-io.org/.

(本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2021年11月期）