保護(hù)高速傳輸接口

Todd Phillips

現(xiàn)有眾多通信電路和協(xié)議服務(wù)于廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。由于這些電路在不同的設(shè)備之間傳輸和接收數(shù)據(jù)，因此這些設(shè)備接口的端口所面臨的外部威脅會危及到電路，包括閃電引起的電流過載和電壓瞬變、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(hù)措施以避免外部威脅造成的損壞，但不能影響設(shè)備接口的傳輸協(xié)議。實(shí)施電路保護(hù)方案后，通信電路必須可靠地傳輸未損壞的數(shù)據(jù)；而且，接收器必須準(zhǔn)確地檢測和解碼信息，以獲取完整的原始數(shù)據(jù)。

本文提供重要建議，使電子設(shè)計(jì)工程師能夠保護(hù)高速接口，同時(shí)不妨礙傳輸/接收性能，也不會影響產(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（USB）標(biāo)準(zhǔn)、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(biāo)準(zhǔn)的用途及當(dāng)前的最大帶寬。

1 USB接口

USB端口無處不在，包括個人計(jì)算機(jī)、計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備、電子測試和測量儀器以及眾多其他產(chǎn)品。 USB接口允許在計(jì)算機(jī)、智能設(shè)備和外圍設(shè)備之間輕松快速地進(jìn)行連接。USB于1996年首次標(biāo)準(zhǔn)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(shè)備進(jìn)行充電操作。

USB開發(fā)者論壇（USB-IF）一直對USB標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行升級，已推出了四個主要修訂版本[1]。從1.0版本開始，經(jīng)過2.0版本、3.x版本演進(jìn)，有線USB標(biāo)準(zhǔn)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的各個版本，顯示了每個版本的最大吞吐量如何大幅增加。不同的數(shù)據(jù)速率允許USB端口與各種設(shè)備進(jìn)行連接，從慢速鍵盤到高速視頻設(shè)備。設(shè)計(jì)人員可以充分利用通用接口的優(yōu)勢，其中信號線并非專用于一種設(shè)備的特定功能。此外，設(shè)計(jì)人員可以設(shè)置USB接口，以實(shí)現(xiàn)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(yùn)行的大量數(shù)據(jù)傳輸。該標(biāo)準(zhǔn)還定義了USB標(biāo)準(zhǔn)1～3的供電（PD）版本。PD版本允許設(shè)備通過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）。

USB連接器已經(jīng)發(fā)展到能夠?qū)崿F(xiàn)更高的數(shù)據(jù)速率和更高的電源可用性。圖1顯示了用于各個USB標(biāo)準(zhǔn)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(dá)到的最大數(shù)據(jù)速率。

2 保護(hù)USB 2.0接口

如圖2a所示，USB 2.0接口由一條Vbus電源線和兩條數(shù)據(jù)線組成。Vbus線可以從交流電源線接收電源，但會受到在交流電源線上傳播的電流過載和電壓瞬變事件的影響。應(yīng)當(dāng)在Vbus線路上安裝自恢復(fù)保險(xiǎn)絲以防止過載；在過載問題解決后，自恢復(fù)保險(xiǎn)絲將會復(fù)位，使得電路可以繼續(xù)正常工作。聚合物正溫度系數(shù)（PPTC）保險(xiǎn)絲是一種自恢復(fù)保險(xiǎn)絲，其電阻因過載電流產(chǎn)生的熱量而大幅增加。PPTC熔斷器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)在過載時(shí)會發(fā)生變化，從而導(dǎo)致電阻增加。當(dāng)器件冷卻時(shí)，則恢復(fù)低電阻的結(jié)構(gòu)。PPTC保險(xiǎn)絲設(shè)計(jì)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(dāng)電流低于保險(xiǎn)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；

● 快速動作；

● 采用0402至2920尺寸的表面貼裝封裝，以節(jié)省空間；

● UL組件認(rèn)可和TUV批準(zhǔn)。

為了保護(hù)由Vbus線路供電的電路免受電源線感應(yīng)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(dá)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，無論通過空氣或直接接觸；

● 5 V電路中的最大低漏電流為0.5 μA；

● 節(jié)省空間的0201表面貼裝封裝。

為保護(hù)數(shù)據(jù)線，免受可能破壞數(shù)據(jù)傳輸?shù)碾妷核沧兪录挠绊憽？紤]使用四通道TVS二極管陣列以保護(hù)數(shù)據(jù)線，圖3所示的二極管陣列具有以下功能：

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

● 每個引腳的對地電容為0.3 pF，對數(shù)據(jù)線的影響最小化；

● 10 nA的低漏電流，實(shí)現(xiàn)最小的電路負(fù)載。

因此，只需3個組件即可完全保護(hù)USB 2.0端口。

3 保護(hù)USB 3.2接口

如圖2b所示，USB 3.2接口包括一條Vbus線和6條數(shù)據(jù)及控制線。正如上面針對USB 2.0接口討論的過流和過壓事件保護(hù)，我們推薦使用相同的組件來保護(hù)Vbus線路。為了保護(hù)6條數(shù)據(jù)線免受電壓瞬變的影響，考慮在每個端口上使用1個分立TVS二極管陣列。TVS二極管陣列具有以下功能：

● 從電氣快速瞬變中安全吸收高達(dá)40 A的峰值電流；

● 通過空氣接觸實(shí)現(xiàn)±18 kV ESD保護(hù)，通過直接接觸實(shí)現(xiàn)±12 kV ESD保護(hù)；

● 最大值為20 nA的低漏電流；

● 0.09 pF引腳到引腳低電容，不會影響信號完整性。

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

4 修訂PD以保護(hù)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(dá)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，通過使用配置通道（CC）線路上的數(shù)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CC線路上的數(shù)字溫度指示器，可以在任何電源情況下提供準(zhǔn)確的保護(hù)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(xiàng)熱保護(hù)功能的更多詳細(xì)信息，請參閱USB Type-C 標(biāo)準(zhǔn)[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。可為SuperSpeed系列USB接口選擇具有最低電容的TVS二極管陣列。通過選擇具有低漏電流的TVS二極管陣列來保持低功耗特性，特別是對于Vbus線路。如果用戶的產(chǎn)品將用于汽車行業(yè)，請選擇符合AEC-Q101認(rèn)證組件規(guī)范的TVS二極管陣列（AEC-Q101是汽車電子委員會基于失效機(jī)制的分立半導(dǎo)體應(yīng)力測試認(rèn)證規(guī)范）[3]。

5 保護(hù)HDMI、DisplayPort和eSATA接口

建議高清晰度多媒體接口（HDMI）、DisplayPort和eSATA接口端口采用類似的保護(hù)方案，因此可以結(jié)合考慮這三種接口。HDMI結(jié)合來自顯示控制器的高清視頻和數(shù)字音頻內(nèi)容，接入到視頻顯示設(shè)備或音頻設(shè)備[4]。HDMI被稱為事實(shí)上的高清電 視標(biāo)準(zhǔn)。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(biāo)準(zhǔn)能夠以最大48 Gbps速率傳輸數(shù)據(jù)。

DisplayPort接口旨在將視頻數(shù)據(jù)從視頻源傳輸?shù)斤@示設(shè)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(biāo)準(zhǔn)。DisplayPort于2006年首次推出。2.0版本的目標(biāo)數(shù)據(jù)速率為77 Gbps，預(yù)計(jì)將于今年晚些時(shí)候完成。DisplayPort接口兼容HDMI接口。視頻電子標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會（VESA）維護(hù)DisplayPort標(biāo)準(zhǔn)[5]。

串行高級技術(shù)附件（SATA）接口最初是由IBM為IBM AT PC以并行格式開發(fā)的，從而定義了一款接口，現(xiàn)在它是磁盤驅(qū)動器的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)接口[6]。2004年發(fā)展制訂了外部SATA（eSATA）標(biāo)準(zhǔn)，可為外部硬盤驅(qū)動器連接創(chuàng)建穩(wěn)健的連接。

為了保護(hù)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型，即四線TVS二極管陣列。圖6顯示了四線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(xiàn)最低功耗；

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

6 保護(hù)端口增強(qiáng)產(chǎn)品的穩(wěn)健性和可靠性

保護(hù)傳輸接口，包括選擇可保護(hù)電路而不會影響傳輸信號的組件。幸運(yùn)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。用戶可以借助制造商的專業(yè)知識來設(shè)計(jì)和選擇保護(hù)組件，以節(jié)省寶貴的開發(fā)時(shí)間。制造商可以提供高成本效益解決方案的建議，防止用戶設(shè)計(jì)受到電流過載和電壓瞬變狀況的影響，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)健可靠的設(shè)計(jì)，從而提高客戶產(chǎn)品在市場上的聲譽(yù)，并降低保修期內(nèi)的服務(wù)成本。

參考文獻(xiàn)：

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

[2] 通用串行總線Type-C電纜和連接器規(guī)范[EB/OL].2.0版. USB開發(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] 汽車電子委員會網(wǎng)站（AECMain（aecouncil.com））[EB/OL]. http：//aecouncil.com/index.html.

[4] 高清多媒體接口網(wǎng)站（HDMI論壇）[EB/OL]..https：// hdmiforum.org/.

[5] 視頻電子標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會網(wǎng)站（VESA–顯示行業(yè)接口標(biāo)準(zhǔn)[EB/OL]）. https：//vesa.org/.

[6] 串行ATA國際組織網(wǎng)站（SATA-IO（sataio.org））.[EB/OL]. https：//sata-io.org/.

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