保護高速傳輸接口

現有眾多通信電路和協議服務于廣泛的應用領域。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議。實施電路保護方案后，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，同時不妨礙傳輸/ 接收性能，也不會影響產品尺寸限制。

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

表1 通信協議、功能和最大數據速率

1   USB接口

USB 端口無處不在，包括個人計算機、計算機外圍設備、電子測試和測量儀器以及眾多其他產品。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行連接。USB 于1996 年首次標準化，并且一直發展演進，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行充電操作。

USB 開發者論壇（USB-IF）一直對USB 標準進行升級，已推出了四個主要修訂版本[1]。從1.0 版本開始，經過2.0 版本、3.x 版本演進，有線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。不同的數據速率允許USB 端口與各種設備進行連接，從慢速鍵盤到高速視頻設備。設計人員可以充分利用通用接口的優勢，其中信號線并非專用于一種設備的特定功能。此外，設計人員可以設置USB 接口，以實現針對時間關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 連接器已經發展到能夠實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 電源線和兩條數據線組成。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。應當在Vbus 線路上安裝自恢復保險絲以防止過載；在過載問題解決后，自恢復保險絲將會復位，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，其電阻因過載電流產生的熱量而大幅增加。PPTC 熔斷器的內部結構在過載時會發生變化，從而導致電阻增加。當器件冷卻時，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，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，以節省空間；

●   UL 組件認可和TUV批準。

為了保護由Vbus 線路供電的電路免受電源線感應瞬變和靜電放電（ESD）沖擊的影響，請使用單向瞬態電壓抑制器（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；

●   節省空間的0201 表面貼裝封裝。

為保護數據線，免受可能破壞數據傳輸的電壓瞬變事件的影響。考慮使用四通道TVS 二極管陣列以保護數據線，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，對數據線的影響最小化；

●   10 nA 的低漏電流，實現最小的電路負載。

因此，只需3 個組件即可完全保護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入其中，所以Type-C 連接器可能容易受到觸點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電路。如圖4 所示，通過使用配置通道（CC）線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的發熱影響。通過CC 線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。如要了解有關實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。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。如果用戶的產品將用于汽車行業，請選擇符合AEC-Q101 認證組件規范的TVS 二極管陣列（AEC-Q101 是汽車電子委員會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 接口端口采用類似的保護方案，因此可以結合考慮這三種接口。HDMI 結合來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 被稱為事實上的高清電 視標準。自2004 年起HDMI 接口就被納入產品中。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候完成。DisplayPort 接口兼容HDMI 接口。視頻電子標準協會（VESA） 維護DisplayPort 標準^[5]。

串行高級技術附件（SATA）接口最初是由IBM為IBM AT PC 以并行格式開發的，從而定義了一款接口，現在它是磁盤驅動器的行業標準接口^[6]。2004 年發展制訂了外部SATA（eSATA）標準，可為外部硬盤驅動器連接創建穩健的連接。

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，可實現最低功耗；

●   通過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上的電壓瞬變的TVS二極管陣列

6   保護端口增強產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。用戶可以借助制造商的專業知識來設計和選擇保護組件，以節省寶貴的開發時間。制造商可以提供高成本效益解決方案的建議，防止用戶設計受到電流過載和電壓瞬變狀況的影響，實現穩健可靠的設計，從而提高客戶產品在市場上的聲譽，并降低保修期內的服務成本。

參考文獻：

[1] USB開發者論壇網站[EB/OL].https://www.usb.org/.

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

[3] 汽車電子委員會網站(AECMain(aecouncil.com))[EB/OL].http://aecouncil.com/index.html.

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

[5] 視頻電子標準協會網站(VESA–顯示行業接口標準[EB/OL]).https://vesa.org/.

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

(本文來源于《電子產品世界》雜志2021年11月期）