保护高速接口的设计技巧

在“保护您的端口！保持通信连接的顶级设计技巧”系列的第二部分中，我们探讨了保护高速接口的内容例如，包括 USB、HDMI、DisplayPort 和 eSATA。

存在大量通信电路和协议以服务于广泛的应用。由于这些电路在不同的设备之间传输和接收数据，因此接口的端口会受到对其电路的外部威胁。这些威胁包括闪电引起的电流过载和电压瞬变、电气快速瞬变 (EFT) 和静电放电 (ESD)。

这些电路需要保护免受这些外部威胁造成的损坏，但不能破坏接口的传输协议。实施保护方案后，通信电路必须可靠地传输未损坏的数据；并且，接收方必须准确检测和解码信息，才能完全恢复原始数据。

本文是有关保护通信接口的系列文章中的第二篇。第一个提出了用于保护以太网供电接口端口的解决方案。本文向电子设计工程师提供了保护高速接口的建议，同时又不影响传输/接收性能或干扰产品尺寸限制。

考虑了四种通信协议：

• 通用串行总线 (USB) 标准随着更高速度的格式不断发展，
• 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 描述了这些标准的用途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，并且一直在以更高的速度发展，并允许为电池供电的设备充电的更多电力承载能力。

USB 实施者论坛 (USB-IF) 已通过四个主要修订版对标准进行了升级。有线USB标准从1.0版开始，经过2.0版、3.x版，目前是修订版4，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是如何大幅增加的。

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支持在后台运行的大量数据传输。

此外，该标准还定义了 USB 版本 1 至 3 的供电 (PD) 版本。PD 版本允许设备通过 USB 接口充电和供电。电源容量从2.5W（[email protected]）提升至100W（20V@5A）。

USB 连接器也已经发展到能够实现更高的数据速率和更高的电源可用性。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对连接器尺寸。表 3 显示了每个连接器可以达到的最大数据速率。

图 1。 专为各种 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电源，它会受到在交流电源线上传播的电流过载和电压瞬变的影响。应在VBUS线路上安装自恢复保险丝以防止过载，以便在过载解决后自恢复保险丝复位，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，其电阻因过载电流产生的热量而显着增加。 PPTC熔断器的内部结构在过载时会发生变化，从而导致电阻增加。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：

• 超低电阻，范围从 mΩ 到约 2 Ω，当电流低于保险丝的跳闸额定值时
• 额定电流范围广泛，从 100 mA 到 9 A
• 快速旅行
• 节省空间的表面贴装封装 0402 最多 2920 种尺寸
• UL 组件认可和 TUV 批准。

为了保护由 VBUS 线路供电的电路免受电源线感应瞬变和静电放电 (ESD) 冲击，请使用单向瞬态电压抑制器 (TVS) 二极管阵列。此类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 ±30 kV ESD 冲​​击，无论是通过空气还是直接接触
• 在 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

务必保护数据线免受可能破坏数据传输的电压瞬变的影响。考虑用于数据线保护的 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：

• 通过空气或直接接触安全吸收 +22 kV ESD 和通过空气或直接接触的 – 10 kV ESD 冲​​击
• 对数据线的影响最小，每个引脚对地的电容为 0.3 pF。
• 10 nA 的低漏电流，可将电路负载降至最低。

因此，仅需三个组件即可完全保护USB 2.0端口。

图 3。 带有齐纳二极管的 4 通道 TVS 二极管阵列用于瞬态电压保护

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 6 条数据和控制线。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，可以考虑在每个端口上使用一个分立的 TVS 二极管阵列。

单个 TVS 二极管阵列可以具有以下功能：

• 安全吸收高达 40 A 的电快速瞬变峰值电流
• ESD 保护高达 ±18 kV 空中和 ±12 kV 直接接触
• 漏电流低，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 端口提供更好的保护，同时具有更低的电容组件，将对数据传输容量的影响降至最低。

通过供电修订保护高速 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 连接器很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的影响，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

配合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，从最低水平如5W一直到最大能力的USB-C，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 SuperSpeed 线路选择具有最低电容的 TVS 二极管阵列。选择漏电流低的 TVS 二极管阵列，尤其是 VBUS 线，以保持低功耗。

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（汽车电子委员会基于故障机制的分立半导体压力测试资格）。

保护 HDMI、DisplayPort 和 eSATA 接口

高清晰度多媒体接口（HDMI）、DisplayPort和eSATA接口端口建议采用类似的保护方案，因此将这三个接口一起考虑。 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。 HDMI接口从2004年开始集成到产品中，现在是2.1版本，最高可以传输48Gbps的数据。

DisplayPort 接口旨在将视频数据从视频源传输到显示设备，例如 PC 显示器。这种可以同时传输音频和视频的接口取代了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，定义了一个接口，现在是磁盘驱动器的行业标准接口。外部 SATA (eSATA) 标准在 2004 年发展起来，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）免受瞬变破坏可能需要单一组件类型，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。 用于抑制四根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，功耗最低
• 通过空气或直接接触传输提供高达 ±20 kV 的 ESD 保护
• SOD 883 封装可节省 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为电路提供保护而不影响传输信号的组件。幸运的是，不需要很多组件。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，以节省宝贵的开发时间。制造商可以帮助提供具有成本效益的解决方案的建议。保护您的设计免受电流过载和电压瞬变的影响，从而实现稳健、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。

其他参考资料

要了解更多信息，请下载 Littelfuse, Inc 提供的以下指南。

• 电路保护产品选择指南
• Littelfuse setP™ 设计和安装指南
• ESD 保护设计指南

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