USB Type-C連接器于2014年底面世，一經(jīng)推出便得到廣泛應用，并已成為連接各類電子設備與外圍設備的行業(yè)標準。除對稱結構帶來的明顯優(yōu)勢外，相較于早期USB接口，它還具備其他優(yōu)點，包括能夠實現(xiàn)非常高的數(shù)據(jù)傳輸速率（高達80 Gbps Tx和80 Gbps Rx），并可通過單個端口提供高達240 W的功率。在本白皮書中，Nexperia探討了在交流耦合超高速數(shù)據(jù)線中，將高電壓ESD保護二極管置于位置A，或將低電壓ESD保護二極管置于位置B，哪種布局可提供更有效的短路保護。

△ 圖1 USB Type-C接口的引腳分配

盡管USB PD規(guī)范包含多種安全機制1，但USB設計人員仍面臨一個關鍵問題：如何在VBUS電源線因使用不合規(guī)連接器或系統(tǒng)而與數(shù)據(jù)線發(fā)生電接觸時，確保接口得到有效保護。最新USB 4標準規(guī)定超高速線對必須采用交流耦合方式，增加了提供充分保護的設計復雜性。圖1所示為USB Type-C連接器的引腳排列。

圖2顯示了在交流耦合的超高速線路中，ESD保護二極管的兩種放置位置：一種靠近連接器端（位置A），另一種位于交流耦合電容與受保護收發(fā)器IC之間（位置B）。

△ 圖2 超高速數(shù)據(jù)線中ESD保護二極管的兩種放置選項

研究ESD應力對交流耦合電容的影響

初步研究主要分析ESD應力對交流耦合電容的影響，因為在位置B放置保護二極管會導致這些電容在ESD事件中失去保護。

Nexperia設計中常用的多種0402’’交流耦合電容2在承受持續(xù)時間為100 ns、上升時間為1 ns (1/100 ns)的傳輸線脈沖(TLP)測試時，均展現(xiàn)出良好的ESD魯棒性。測試結果顯示，330 nF電容器在高達約60 A的TLP沖擊下未出現(xiàn)損壞跡象，而220 nF電容器在高達約55 A TLP下也未出現(xiàn)損壞（分別相當于IEC 61000-4-2標準約30 kV和27 kV的脈沖水平）。

同時，還測試了兩家制造商提供的25 V額定電壓、220 nF 0201’’交流耦合電容。測試結果如圖4所示。首先，在對新器件進行五次1/100 ns TLP脈沖測試（最高22 A，低于其魯棒性閾值）之前，先測定了其魯棒性極限（藍色曲線）。此器件在這些測試過程中未顯示出任何退化。同樣，對于來自第二家制造商的魯棒性更強的電容器（圖4），在五次高達25 A的1/100 ns TLP脈沖下，也未觀察到任何器件退化跡象。

△ 圖3 魯棒性較低的0201’’耦合電容的測試結果

△ 圖4 魯棒性較高的0201’’耦合電容的測試結果

隨后，采用持續(xù)時間為5 ns、上升時間為600 ps (0.6/5 ns)且電流高達120 A的超快TLP (vfTLP)對兩家制造商提供的電容器樣品進行了進一步測試（圖5），結果同樣未發(fā)現(xiàn)任何器件退化跡象。

△ 圖5 采用0.6/5 ns且電流高達120 A的超快TLP對兩個額定電壓為25 V的220 nF 0201’’ 電容進行測試

研究表明，交流耦合電容在高達120 A、0.6/5 ns的超快TLP下仍具有良好的魯棒性，因此可以推斷：ESD脈沖引發(fā)的退化現(xiàn)象的 根源在于能量水平，而非峰值電壓。這使得22 A 1/100 ns的TLP 測試等同于11 kV的IEC 61000-4-2脈沖測試。換言之，所有被研究的交流耦合電容的魯棒性均超越了IEC 61000-4-2接觸放電的4級標準。

測試期間，通過使用下拉電阻，避免了可能出現(xiàn)的電荷積聚。

研究ESD應力對受保護IC的影響

Nexperia對若干用于超高速數(shù)據(jù)線的收發(fā)器IC（重定時器和重驅動器器件）展開了研究，發(fā)現(xiàn)它們的TLP特性與一個串聯(lián)著電阻的正向偏置二極管極為相似（圖6）。這表明這些IC的芯片內部ESD保護電路在極低電壓（1 V至1.5 V之間）下就會導通。因此，所采用的外部ESD保護二極管必須具備較低的觸發(fā)電壓，以便在受保護IC受損前限制流入的ESD電流。

△ 圖6 典型USB超高速IC的1/100 TLP結果顯示，芯片內部ESD保護電路在約1 V時會導通

△ 圖7 通過漏電流測量評估芯片內部ESD保護電路是否受損

綜上所述，對多款超高速收發(fā)器IC的測試結果表明：

? 芯片內部ESD保護電路通常在約1 V時導通

? 以上示例的芯片內部ESD保護電路在2 A 1/100 ns TLP下受損

? 該IC的芯片內部ESD保護電路在約5 A 0.6/5 ns vf-TLP脈沖下受損

導致?lián)p壞的vfTLP電流水平提高，這表明該IC對脈沖能量的敏感度高于對峰值鉗位電壓的敏感度。

上述IC對ESD保護后的殘余鉗位電壓仍較為敏感。Nexperia也對可承受高達6 A TLP的系統(tǒng)進行了測試。但這些系統(tǒng)仍會在約1 V 電壓下開始導通，并對瞬變電流進行分流。為了評估此類系統(tǒng)在不同ESD保護策略下的表現(xiàn)，Nexperia采用高效的系統(tǒng)級ESD 設計(SEED)模擬結合測試板測量的方法，使用如下所示的測試裝置3，對比了將高電壓保護二極管置于位置A與將低電壓二極管置于位置B的效果。

△ 圖8 交流耦合超高速數(shù)據(jù)線的測試接口，從左到右依次為:連接器(未顯示)、位置A的ESD保護元件位置、下拉電阻、交流耦合電容、位置B的ESD保護元件位置、IC替代電路(電阻加二極管)

△ 圖9 額定電壓為1 V的ESD保護二極管(1-4)的TLP曲線比較(A)和峰值鉗位電壓比較(B)

四個額定電壓為1 V的不同ESD保護器件(1-4)放置在位置B處，兩個額定電壓為18-24 V的ESD保護器件(5-6)放置在位置A處。圖9為測試結果。虛線表示IC ESD保護模型的曲線。

△ 圖10 收發(fā)器IC所經(jīng)受的TLP電流(A)和峰值電壓(B)

器件5或許可以保護在器件觸發(fā)前能承受超過4 A TLP電流的收發(fā)器，但圖6和圖7中所示的IC則無法承受這種類型的脈沖。無論何種情況，與位置A相比，位置B處的所有四個保護器件對IC施加的總體瞬變電流應力都要低得多。

這些結果表明，在位置B處使用低電壓保護二極管可實現(xiàn)更出色的系統(tǒng)級ESD保護，因為保護器件在流經(jīng)IC的瞬變電流較低時便開始對收發(fā)器實施保護。

交流耦合電容能否防范短路？

簡而言之，交流耦合電容不能有效防范VBUS與超高速數(shù)據(jù)線之間發(fā)生短路帶來的風險。詳細研究發(fā)現(xiàn)，在發(fā)生（或解除）短路時，瞬變電流能夠穿過交流耦合電容，使IC暴露于微秒級的浪涌脈沖之下。為開展評估4，使用了一塊測試板，上面配備了如上述ESD測試中所描述的IC等效電路。

△ 圖11 (A)使用超高速線路元件和測試點的測試PCB。(B)在位置A處設有高壓ESD或沒有ESD保護的測量設置

短路是通過一個驅動MOSFET的信號發(fā)生器來引發(fā)的，其上升持續(xù)時間約為50 ns（圖12）。

△ 圖12 短路驅動電路

如圖13所示，施加此類短路會產(chǎn)生不同的波形。輸入端(U_input)信號上升至20 V，上升時間為數(shù)十納秒，而交流耦合電容 (U_ck)上的壓降上升時間則取決于電容值，符合預期。IC替代電路(U_IC)上的壓降持續(xù)時間同樣取決于電容值，兩者共同產(chǎn)生了一個持續(xù)時間約為1 μs的浪涌脈沖。

△ 圖13 施加在帶有220 nF或330 nF電容的交流耦合超高速線路上的20 V短路電壓波形

圖14顯示了當超高速收發(fā)器IC在ESD保護二極管的保護下，受到此類短路影響時流入IC的電流隨時間的變化。

△ 圖14 對交流耦合電容施加20 V短路時，通過超高速IC替代電路的浪涌電流

結論

研究顯示，超高速USB接口中使用的交流耦合電容的ESD魯棒性超過了IEC61000-4-2 4級標準接觸放電的要求，表明它們不太會成為系統(tǒng)級保護中的薄弱環(huán)節(jié)。相比之下，受保護收發(fā)器IC更可能因不理想的ESD保護策略導致的高鉗位電壓而失效。

對比不同的保護策略發(fā)現(xiàn)，在位置A（距離IC較遠的位置）放置高壓ESD二極管(>20 V)時，會在短路事件中產(chǎn)生較大且持續(xù)時間較長的浪涌電流（例如，在20 V VBUS下約為7 A，持續(xù) 1 μs）。即便ESD保護器件本身未受損，但這種級別的應力超過了多數(shù)IC能夠承受的范圍。

而在位置B（即位于交流耦合電容與收發(fā)器IC之間）使用低壓ESD二極管（約1 V），則能顯著降低因VBUS短路至交流耦合數(shù)據(jù)線所引發(fā)的浪涌事件電流的強度和持續(xù)時間。在我們的研究中，該方案在ESD和短路事件中均表現(xiàn)出更出色的保護性能。通過加入一個小的串聯(lián)電阻，可以進一步降低瞬變電流，但需考慮其對射頻性能的潛在影響。

這種放置方式雖與傳統(tǒng)做法相沖突（傳統(tǒng)做法是通過增加IC與ESD器件的間距，利用走線寄生電感實現(xiàn)保護），但優(yōu)勢顯著，在位置B采用低壓器件的好處，遠勝于位置A使用高壓保護器件時，依靠較長走線所帶來的傳統(tǒng)優(yōu)勢。

我們建議，在可能發(fā)生VBUS短路的系統(tǒng)中，應優(yōu)先在位置B使用低壓ESD二極管，以實現(xiàn)更可靠的保護。

隨著USB供電EPR支持高達48 V的VBUS電壓，確保有效的低壓保護變得愈發(fā)重要。

本文作者

Steffen Holland，Nils Duchow，Stefan Seider

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