湖南静芯推出ESD&EOS防护完整解决方案100W+80G

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。USB 4.0版本于 2019 年发布，支持高达 40 Gbps 的连接,在PD 3.0供电下最大功率可达100W，同时提供与 Thunderbolt 3&4 的交叉兼容性。

 

目前电子产品常用的充电技术标准除USB之外，还有Intel公司的Thunderbolt（雷电）技术标准。雷电技术诞生于2011年，实现了单一接口同时传输视频和数据，带宽可达10Gbps，2013年的第二代速率提升至20Gbps，2015年的第三代不但再次将带宽翻番至40Gbps，引入了供电能力，还采用了标准的USB-C接口形态。USB4标准的发布也是得益于Thunderbolt 3的传输技术。而2020年诞生的雷电4最高支持 100W 供电，延用40Gbps的带宽速度。

 

近年来，随着超高速通信和提高电力传输水平的需求日益增长，USB 通信协议不断发展，USB的接口制造工艺也不断升级。在数据传输速率不断提高的情况下，主控芯片采用了更为先进的制程技术，但是对电气过应力(EOS) 和静电放电 (ESD)事件更加敏感，因此我们需要找到最佳方案保护 USB Type-C 端口免受 ESD 威胁的危害。本文将详细介绍适合USB4.0&PD3.0的ESD&EOS防护完整解决方案。

 

USB4介绍

 

USB4和Thunderbolt 4的连接器类型都为USB-C，通过双通道实现高达 40Gbps 的数据传输。USB Type-C 连接器可以正面朝上或朝下插入，由上下两侧相同的两组引脚组成24 个引脚。其中四个引脚（Tx1+、Tx1-、Rx1+、Rx1-）用两个差分对创建一个超高速数据传输通道，另外四个引脚（Tx2+、Tx2-、Rx2+ Rx2-）用另一组两个差分对组成第二个通道。引脚配置如下图1所示，这种双通道配置以每通道 20Gbps 的速度传输数据，在使用两个通道时速度可达 40Gbps。

USB4 和Thunderbolt 4规格均支持第三方协议，包括交替模式（Alt 模式）下的 DisplayPort 2.0。在 Alt 模式下，USB Type-C 连接器可以直接连接到 DisplayPort 器件并传输显示信号，无需任何额外的电路，速度最高可达 80Gbps，是仅用于 USB 数据传输的两倍。在 Alt 模式下，所有显示数据通过所有 8 条数据线（Tx1+、Tx1-、Rx1+、Rx1-、Tx2+、Tx2-、Rx2+、Rx2-）进入显示监视器。

 

图1 USB Type-C引脚配置

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表1 USB Type-C引脚功能描述

 

保护USB4免受EOS&ESD影响

 

图2 整体应用方案

 

1. 高速差分线TX+ ,TX- ,RX+, RX- 

在 USB4和雷电4标准中，发射器 (TX) 和接收器 (RX) 线支持高达 40Gbps 的超高速 USB 接口和交替模式的数据传输。由于接口在传输大量内容时数据线需要经常插拔，在热插拔的过程中有可能因为消费者的触摸或金属引脚短接引发静电放电（ESD）等问题，因此选择合适的 ESD 防护器件至关重要。

湖南静芯研发的SEUCS2X3V1B器件是专为保护超高速USB 差分线路而设计，同时具有 0.14pF 的极低电容，可确保信号完整性。SEUCS2X3V1B可对单路高速数据线进行静电防护，工作电压为 3.3 V，钳位电压为仅为5.5V，封装为DFN0603-2L，符合IEC 61000-4-2 (ESD) 规范，在 ±15kV（空气）和 ±15kV（接触）下提供静电防护。

 

图3 SEUCS2X3V1B器件TLP曲线

 

图4 SEUCS2X3V1B眼图测试结果

 

2. 总线电源VBUS

USB PD3.0和雷电4可以提供高达100W的功率，则VBUS上的最大电压可以达到20V，最大电流为5A。VBUS 引脚的安全性就需要使用工作电压高于 20V的防护器件来保护 VBUS 引脚。

 

我们选用的是湖南静芯开发的平缓浪涌抑制器(TDS) ESTVS2200DRVR，可用于保护工作电压为20V、24V的系统，具有精准且恒定的触发电压、优异的钳位性能及稳定的温度特性，可为系统提供更全面保护。TDS与TVS二极管不同，TDS耗散浪涌能量较小，能通过自身特性将过压与过流事件高效泄放到地，从而避免增加自身热损耗。这一特性使得TDS在体积上能够大幅降低，为硬件工程师设计高度集成型解决方案提供了更优选择。此外，TDS器件的钳位电压会比TVS二极管低40%，因此减少了系统的电气应力，可以更好的保护后端IC，工程师可更灵活选择更低耐压的主控芯片，提高了系统的电能利用效率、可靠性以及降低整体系统成本。

 

ESTVS2200DRVR器件为DFN封装，工作电压最大可达24V，可在 ESD 和浪涌事件发生时保护 USB-PD 控制器。它具有27V的触发电压和70A的峰值脉冲电流, 且符合IEC 61000-4-2 (ESD) 规范，在 ±30kV（空气）和 ±30kV（接触）下提供瞬变保护。

 

表2 ESTVS2200DRVR相关曲线图

 3. D+/D-差分线 

D+/D-两个引脚是用于兼容USB 2.0接口，D+和D-引脚承载速率为480Mbps的差分数据信号，这对差分线上的电压在正常工作条件下可以达到 5V。推荐采用湖南静芯研发的ESD回扫型器件SEUCS2X3V1B，该器件的工作电压为 3.3 V，钳位电压为仅5.5V，结电容仅为0.14pF，封装为DFN0603-2L，符合IEC 61000-4-2 (ESD) 规范，在 ±15kV（空气）和 ±15kV（接触）下提供瞬变保护。

 

4. CC、SBU和VCONN引脚

CC1、CC2作为Type C的识别通道，可用于识别连接设备和确定功率方向，建立和管理两个连接端口之间的源和接收器连接。CC在插座中设有两个，插头中设有一个，可用于辨识插头朝向并促进 USB4 数据总线通信的建立。当其中一个 CC 引脚未被使用时，它会转变为 VCONN 引脚，服务于 USB Type-C 电子标记电缆（EMC）。VCONN 是一个5V1W的电源，用于为带有电子标记的 Type-C 电缆内的集成电路 (IC) 供电。若电缆不具备电子标记功能，意味着内部没有电子设备，因此无需VCONN 引脚供电，此时该引脚在 USB Type-C 插头上会处于未连接状态。

SBU1、SBU2是 DisplayPort 和其他数据信号在 Alt 模式下工作的辅助通道，可用于支持高速数据或支持其他附加功能，如模拟音频和视频传输等。在 USB4 协议中，它们被称为 SBTX 和 SBRX。SBTX 是 USB4 控制器的串行发送信号，SBRX 是 USB4 控制器的串行接收信号。SBTX/SBRX 在 USB4 中用于主机器件和外设之间进行通信、初始化数据线、交换器件管理信息、控制数据等。

在使用USB-PD的情况下，VBUS引脚电压可以达到20V，由于CC/SBU引脚紧挨着 VBUS 引脚，如果发生短路，CC/SBU引脚将暴露在20V下, 可能会对系统造成损害，为了避免此现象的发生，我们需要在CC/SBU引脚附近设置工作电压大于20V的静电保护元件。

湖南静芯研发的双向ESD静电保护器件SEUCS2X24V1B是保护 CC/SBU 引脚的完美解决方案。SEUCS2X24V1B采用超小型DFN0603-2L封装，工作电压为24V，钳位电压为5.6V，结电容仅为0.12pF， 符合IEC 61000-4-2 (ESD) 规范，在 ±15kV（空气）和 ±15kV（接触）下提供瞬变保护。

 

器件电气特性表

At TA = 25℃ unless otherwise noted

 

Parameter	Symbol	Conditions	Min.	Typ.	Max.	Units
Reverse Stand-off Voltage	VRWM			3.3	5.0	V
Reverse Breakdown Voltage	VBR	IT=1mA	5.5	8.1	10.0	V
Reverse Leakage Current	IR	VRWM=3.3 OR 5.0V		1	100	nA
Clamping Voltage	VC	IPP=1A; tp=8/20us		2.5	4.0	V
Clamping Voltage	VC	IPP=7A; tp=8/20us		5.5	7.0	V
Reverse Holding Voltage	VHOLD	IHOLD=18mA	1.8	2.2	2.5	V
Reverse Holding Current	IHOLD	VHOLD=2.2V	12	18	25	mA
Dynamic Resistance	Rdyn			0.4		Ω
Junction Capacitance	CJ	VR=0V; f=1MHz		0.14	0.18	pF

表3 SEUCS2X3V1B电气特性表

 

Parameter	Symbol	Conditions	Min.	Typ.	Max.	Units
Reverse Stand-off Voltage	VRWM				24.0	V
Reverse Breakdown Voltage	VBR	IT=1mA	24.5	31.0		V
Reverse Leakage Current	IR	VRWM=24.0			100	nA
Clamping Voltage	VC	IPP=1A; tp=8/20us		2.5		V
Clamping Voltage	VC	IPP=6.0A; tp=8/20us		5.6		V
Dynamic Resistance	Rdyn			0.3		Ω
Junction Capacitance	CJ	VR=0V; f=1MHz		0.12	0.20	pF

表4 SEUCS2X24V1B电气特性表

 

Parameter	Symbol	Conditions	Min.	Typ.	Max.	Units
Reverse Stand-off Voltage	VRWM				24	V
Reverse Breakdown Voltage	VBR	IT=1mA；T=27℃		27		V
Reverse Leakage Current	IR	VRWM=22V；T=27℃		1		nA
Forward Voltage	VF	IT=1mA；T=27℃		0.517		V
Clamping Voltage	VC	IPP=24A; tp=8/20us；T=27℃		27.2		V
	VC	IPP=40A; tp=8/20us；T=27℃		28		V
	VC	IPP=68A; tp=8/20us；T=27℃		30		V
Dynamic Resistance	Rdyn				50	mΩ
Junction Capacitance	CJ	VR=22V; f=1MHz T=27℃		150		pF

表5 ESTVS2200DRVR电气特性表

 

总结与结论

通过 USB Type-C 连接器实现的 USB4和Thunderbolt 4 规格已成为主流接口，能以 40Gbps 的超快速度传输数据，兼容DisplayPort 2.0标准，并启用USB PD3.0模式实现最高100W的双向电力传输。尽管不断升级的USB和雷电接口标准大幅提升了数据传输速率，提供了卓越的视频质量和更高的分辨率，但同时在遇到静电放电（ESD）冲击时，其接口内部更易受损需要合适的静电保护。

 

湖南静芯推出22V&33V TDS平缓浪涌抑制器，可用于保护工作电压为20V、24V、28V、36V的系统，具有精准且恒定的触发电压、优异的钳位性能及稳定的温度特性，可为系统提供更全面保护。同时湖南静芯深回扫型系列ESD器件工作电压涵盖1.0~38V，电流涵盖4~30A，电容最低至0.1pF，封装涵盖CSP、FC及各类封装形式。结合TDS器件与深回扫ESD优势，湖南静芯是国内首家推出USB4.0完整解决方案的公司。