保护高速传输接口

现有众多通信电路和协议服务于广泛的应用领域。由于这些电路在不同的设备之间传输和接收数据，因此这些设备接口的端口所面临的外部威胁会危及到电路，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）。因此，这些电路需要采用保护措施以避免外部威胁造成的损坏，但不能影响设备接口的传输协议。实施电路保护方案后，通信电路必须可靠地传输未损坏的数据；而且，接收器必须准确地检测和解码信息，以获取完整的原始数据。

本文提供重要建议，使电子设计工程师能够保护高速接口，同时不妨碍传输/ 接收性能，也不会影响产品尺寸限制。

我们在这里考虑四种通信协议：不断发展以提高速度的通用串行总线（USB）标准、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当前的最大带宽。

表1 通信协议、功能和最大数据速率

1   USB接口

USB 端口无处不在，包括个人计算机、计算机外围设备、电子测试和测量仪器以及众多其他产品。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进行连接。USB 于1996 年首次标准化，并且一直发展演进，不仅速度提高，也提供更大的载电能力，允许为电池供电设备进行充电操作。

USB 开发者论坛（USB-IF）一直对USB 标准进行升级，已推出了四个主要修订版本[1]。从1.0 版本开始，经过2.0 版本、3.x 版本演进，有线USB 标准目前已升级到修订版本4（USB 4）。表2 列出了从USB 2.0到USB 4 的各个版本，显示了每个版本的最大吞吐量如何大幅增加。不同的数据速率允许USB 端口与各种设备进行连接，从慢速键盘到高速视频设备。设计人员可以充分利用通用接口的优势，其中信号线并非专用于一种设备的特定功能。此外，设计人员可以设置USB 接口，以实现针对时间关键型功能的低延迟特性或者支持在后台运行的大量数据传输。该标准还定义了USB 标准1 ～ 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2.5 W（5 V@ 0.5 A）增加到100 W（20 V @ 5 A）。

表2 当前活跃的USB接口版本及其最大数据传输速率

USB 连接器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 显示了用于各个USB 标准版本的不同连接器引脚配置和相对连接器尺寸。表3则显示了每款连接器可以达到的最大数据速率。

图1 针对不同USB标准设计的USB连接器

表3 各种类型USB连接器的最大数据速率

2   保护USB 2.0接口

如图2a 所示，USB 2.0 接口由一条Vbus 电源线和两条数据线组成。Vbus 线可以从交流电源线接收电源，但会受到在交流电源线上传播的电流过载和电压瞬变事件的影响。应当在Vbus 线路上安装自恢复保险丝以防止过载；在过载问题解决后，自恢复保险丝将会复位，使得电路可以继续正常工作。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大幅增加。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，则恢复低电阻的结构。PPTC 保险丝设计用于最大额定电压通常为24 V 的低压电路，其他特性包括：

●   当电流低于保险丝的维持电流额定值时，具有范围从mΩ 到约2 Ω 的超低电阻；

●   从100 mA 至9 A 的宽额定电流范围；

●   快速动作；

●   采用0402 至2920 尺寸的表面贴装封装，以节省空间；

●   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）冲击的影响，请使用单向瞬态电压抑制器（TVS）二极管阵列。不同型款的二极管阵列提供：

●   安全吸收高达40 A的电气快速瞬变电流和5 A 的雷击电流；

●   承受±30 kV ESD 冲击，无论通过空气或直接接触；

●   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。

为保护数据线，免受可能破坏数据传输的电压瞬变事件的影响。考虑使用四通道TVS 二极管阵列以保护数据线，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–10 kV ESD 冲击；

●   每个引脚的对地电容为0.3 pF，对数据线的影响最小化；

●   10 nA 的低漏电流，实现最小的电路负载。

因此，只需3 个组件即可完全保护USB 2.0 端口。

●   0.09 pF 引脚到引脚低电容，不会影响信号完整性。

使用单独的TVS 二极管可以为高速USB 端口提供更好的保护，并使用更低电容的组件，从而最大限度地减小对数据传输容量的影响。

图2 推荐用于USB 2.0和USB 3.2接口的保护组件

4   修订P D 以保护高速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连接器。从图1 可以看出，Type-C 连接器是高密度连接器，由于灰尘和污垢可能进入其中，所以Type-C 连接器可能容易受到触点之间电阻短路的影响。由于电源引脚上的功率高达100 W，因此始终有可能损坏连接器和相关电路。如图4 所示，通过使用配置通道（CC）线路上的数字温度指示器，防止USB Type-C 连接器受到与电阻故障相关的发热影响。通过CC 线路上的数字温度指示器，可以在任何电源情况下提供准确的保护功能，从最低水平（ 例如5 W） 直到USB Type-C 连接器的最大容量100 W。如要了解有关实施这项热保护功能的更多详细信息，请参阅USB Type-C标准^[2]。

为了防止瞬变事件影响，请考虑使用不同型款TVS 二极管阵列。可为SuperSpeed 系列USB 接口选择具有最低电容的TVS 二极管阵列。通过选择具有低漏电流的TVS 二极管阵列来保持低功耗特性，特别是对于Vbus 线路。如果用户的产品将用于汽车行业，请选择符合AEC-Q101 认证组件规范的TVS 二极管阵列（AEC-Q101 是汽车电子委员会基于失效机制的分立半导体应力测试认证规范）^[3]。

图3 带有齐纳二极管的四通道TVS二极管阵列用于瞬态电压保护

图4 推荐用于USB 3.2和USB 4.0 Type-C接口的保护组件

5   保护HDMI、DisplayPort和eSATA接口

建议高清晰度多媒体接口（HDMI）、DisplayPort和eSATA 接口端口采用类似的保护方案，因此可以结合考虑这三种接口。HDMI 结合来自显示控制器的高清视频和数字音频内容，接入到视频显示设备或音频设备^[4]。HDMI 被称为事实上的高清电 视标准。自2004 年起HDMI 接口就被纳入产品中。目前最新的2.1版本标准能够以最大48 Gbps 速率传输数据。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 版本的目标数据速率为77 Gbps，预计将于今年晚些时候完成。DisplayPort 接口兼容HDMI 接口。视频电子标准协会（VESA） 维护DisplayPort 标准^[5]。

串行高级技术附件（SATA）接口最初是由IBM为IBM AT PC 以并行格式开发的，从而定义了一款接口，现在它是磁盘驱动器的行业标准接口^[6]。2004 年发展制订了外部SATA（eSATA）标准，可为外部硬盘驱动器连接创建稳健的连接。

为了保护这三种接口（如图5 所示）免受瞬变事件破坏，可能需要使用单一组件类型，即四线TVS 二极管阵列。图6 显示了四线TVS 二极管阵列的配置。这些TVS 二极管阵列提供：

●   0.2 pF 的超低电容，对传输眼图影响不大；

●   25 nA 漏电流，可实现最低功耗；

●   通过空气或直接接触传输提供高达±20 kV 的ESD 保护。

图5 推荐用于HDMI、DisplayPort和eSATA接口的保护组件

图6 用于抑制四条高速数据线上的电压瞬变的TVS二极管阵列

6   保护端口增强产品的稳健性和可靠性

保护传输接口，包括选择可保护电路而不会影响传输信号的组件。幸运的是，这里不需要使用很多的组件，但是，需要考虑的组件范围很广。用户可以借助制造商的专业知识来设计和选择保护组件，以节省宝贵的开发时间。制造商可以提供高成本效益解决方案的建议，防止用户设计受到电流过载和电压瞬变状况的影响，实现稳健可靠的设计，从而提高客户产品在市场上的声誉，并降低保修期内的服务成本。

参考文献：

[1] USB开发者论坛网站[EB/OL].https://www.usb.org/.

[2] 通用串行总线Type-C电缆和连接器规范[EB/OL].2.0版.USB开发者论坛(USB-IF),Inc.[2019-8].https://usb.org/document-library/usb-type-cr-cable-and-connectorspecification-revision-20-august-2019.

[3] 汽车电子委员会网站(AECMain(aecouncil.com))[EB/OL].http://aecouncil.com/index.html.

[ 4 ] 高清多媒体接口网站( H D M I 论坛) [ E B /OL ] . . h t t p s : / /hdmiforum.org/.

[5] 视频电子标准协会网站(VESA–显示行业接口标准[EB/OL]).https://vesa.org/.

[6] 串行ATA国际组织网站(SATA-IO(sataio . o r g ) ) . [ E B / O L ] .https://sata-io.org/.

(本文来源于《电子产品世界》杂志2021年11月期）