针对USB接口ESD/EOS 的防护方案

目录

一、USB的发展历史及分类

二、什么是USB 2.0、USB 3.0、USB4

三、比较USB 2.0、USB 3.x和USB4的ESD保护方案

四、USB ESD保护的案例分析——以晶扬电子产品为例

一、USB的发展历史及分类

USB（Universal Serial Bus，通用串行总线）是用于连接计算机和外部设备的一种标准，接口可连接127种外设，如鼠标和键盘等。它在20世纪90年代中期被引入，旨在简化设备连接并提高数据传输速度。

在科技领域近二十年发展中，USB承担着举足轻重的作用，比如在传输数据和电量方面，很大程度上影响着我们的生活。从USB的发展而言，早在1994年，USB标准最初是由英特尔与微软公司倡导发起成立的USB标准化组织（USB-IF）制定的一种接口标准，即USB。该标准旨在解决日益增多的PC外设与有限的主板插槽和端口之间的矛盾，提供了一种快速且灵活的串行通信接口。在1995年，个人电脑就已经带有USB接口，由于缺乏软件及硬件设备的支持，USB接口都闲置未用。USB技术自推出以来，经历了多次演进和改进，从USB 1.0/1.1，USB 2.0，USB 3.x，发展到现在的USB4，从最初的1.5 Mbps到如今的40 Gbps，显著提升了数据传输速度和设备兼容性。不同版本和接口类型的USB为用户提供了多样化的选择，满足了从简单的设备连接到高性能数据传输的各种需求。随着技术的不断进步，USB的应用场景和功能将会更加广泛和强大。

 

 

1.1 USB协议的发展

自从USB 2.0版本的命名标准诞生以来，USB-IF就采用把上一代版本的接口或本代的小版本并入当前最新接口标准的方式对USB接口标准进行命名，这种混乱命名方式令消费者困扰不已，难以区分。这种困扰持续多年，直至2022年，USB-IF对长期以来混乱的命名方式做出了修改，新的命名规范使用了“USB+传输速度”的命名方式。相关USB的协议的历史命名、支持带宽和传输速度如表1所示。USB的传输速度单位Gbps（Gigabits per second）表示每秒传输的千兆比特数，而MB/s（Megabytes per second）表示表示每秒传输的兆字节数，1 bytes = 8 bits，因此1 Gbps = 125 MB/s.

图2展示了USB协议的发展历程。图中的每个数据点代表一个USB版本，标注了其发布年份和传输速度。图中对对每个版本的特点进行了说明。例如USB 1.0首次引入即插即用和热插拔概念，USB 2.0大幅提升了传输速度，USB 3.0引入了SuperSpeed USB的概念，USB4则整合了Thunderbolt 3协议并支持更高的传输速度。通过这张图，可以清晰地看到USB协议在数据传输速度和技术功能上的显著提升。USB协议的发展不仅提升了数据传输速度，还提高了设备兼容性和电源管理能力，使得各种外设的连接更加简便和高效。随着技术的不断进步，USB接口仍然在不断演变，以满足日益增长的数据传输需求和设备互联需求。

1.2 USB接口类型的分类

随着科技迭代发展，电子设备的接口类型也在迭代更新中，市场上的接口外形上可分为三大类，分别是USB Type-A、USB Type-B、USB Type-C，而USB Type-A和USB Type-B按体积大小可分为Standard型、Mini型、Micro型。而USB Type-C仅有一种造型。接口类型与图片见表2所示。

1.2.1 Standard 类型USB接口

如表3所示，Standard USB接口中的Type-A、Type-B根据支持的USB标准不同，又可以分为USB 2.0和USB 3.0标准的USB接口。根据接口的颜色，很容易区分Type-A与Type-B接口是支持USB 2.0还是支持USB 3.0的。Type-A型接口也是我们日常生活中最常见的USB接口，广泛应用于鼠标、键盘、U盘等设备上，Type-B型则常用于打印机、特殊显示器等设备上。Type-C型支持的协议标准则更为先进，包含USB 3.1、3.2和USB4，和 Thunderbolt 3协议，普遍应用于新型笔记本电脑、平板电脑、大多数智能手机当中。

1.2.2 Mini类型USB接口

如表4所示， Mini USB接口是一种小型的USB接口，其指标与标准USB相同，但是加入了ID针脚(用于区分设备是主机还是外设)，以支持OTG(On The Go，该功能允许在没有主机的情况下，实现设备间的数据传送)功能。Mini USB接口由于相对较小的体型，常见于一些小型设备上，比如MP3、MP4、收音机等，某些古早型号的手机也采用了该接口。

1.2.3 Micro类型USB接口

如表5所示，Micro USB接口属于Mini USB的下一代规格接口，Micro USB接口的插头采用了不锈钢材料，插拔寿命提高为10000次，相比Mini USB接口，在宽度几乎不变的情况下，高度减半，更为小巧。Micro USB接口也可分为Micro-A和Micro-B两种，如表5中的图片所示。在智能手机发展的前期，绝大多数的智能手机(苹果手机除外)都采用了Micro-B型接口作为充电和数据接口。在USB 3.0标准发布后，Micro-B接口也有了新的造型，市场上购买的支持USB 3.0的移动硬盘盒大部分就采用了该接口。

二、什么是USB 2.0、USB 3.0、USB4

2.1 USB 2.0

USB 2.0（Universal Serial Bus 2.0）是USB标准的第二代，广泛用于计算机及各种外设的连接，发布于2000年。USB 2.0标准由USB Implementers Forum（USB-IF）发布，旨在解决USB 1.1的速度瓶颈并增强设备互连性。USB 2.0相比其前代USB 1.1，显著提高了数据传输速度，并扩展了功能和应用范围。

2.1.1 主要特点

（1）高传输速度

传输速率：USB 2.0引入了480 Mbps的传输速率（High-Speed），是USB 1.1的40倍，支持更快速的数据传输。

兼容性：向后兼容USB 1.1，支持全速（12 Mbps）和低速（1.5 Mbps）设备。

（2）广泛的设备支持

多种设备：支持键盘、鼠标、打印机、扫描仪、摄像头、外置存储设备、移动电话、便携式媒体播放器等各种设备。

即插即用：支持即插即用（Plug and Play）和热插拔（Hot Swapping），使设备连接和移除变得简单方便。

（3）总线供电

供电能力：通过USB总线提供电力，标准供电能力为每个端口5V、500mA，支持低功耗设备。

电力管理：支持设备休眠和电源管理，以节省能源。

2.1.2 传输类型

USB 2.0支持四种传输类型，每种类型适用于不同的应用场景：

（1）控制传输（Control Transfer）：

用于发送命令和状态信息，例如设备初始化和配置。

应用场景：设备识别和配置。

（2）批量传输（Bulk Transfer）：

适用于大数据量传输，具有错误重试机制。

应用场景：文件传输、打印机数据传输。

（3）中断传输（Interrupt Transfer）：

用于小数据量的周期性传输，保证一定的传输速率。

应用场景：键盘、鼠标输入数据传输。

（4）等时传输（Isochronous Transfer）：

用于实时数据传输，没有错误重试机制，但保证数据传输的时效性。

应用场景：音频和视频流传输。

2.1.3 应用场景

个人计算机：广泛应用于台式机、笔记本电脑、外设连接。

消费电子：用于相机、MP3播放器、手机充电和数据传输。

存储设备：外置硬盘、U盘等存储设备。

打印和扫描：连接打印机和扫描仪，提供数据传输和控制。

2.1.4 优势和挑战

（1）优势

高性能：相比USB 1.1，显著提高了数据传输速度，支持更多高带宽设备。

广泛兼容：支持大量现有设备，向后兼容性强。

即插即用：简化了设备连接和使用，提高了用户体验。

（2）挑战

带宽限制：尽管USB 2.0速度较高，但对于某些高带宽应用（如高清视频传输）仍显不足。

功率限制：标准供电能力（5V、500mA）对于某些高功耗设备不够。

2.1.5总结

USB 2.0是一个具有里程碑意义的技术标准，通过显著提升数据传输速度和扩展设备兼容性，彻底改变了计算机和外设的连接方式。尽管随着USB 3.0及以上版本的推出，USB 2.0在新设备中的使用逐渐减少，但其对技术进步和市场影响仍然深远，许多设备和应用场景中依然在使用USB 2.0。

2.2 USB 3.0

USB 3.0（Universal Serial Bus 3.0）是USB标准的第三代，发布于2008年。它在数据传输速度、电力传输和连接性能方面有显著提升。它继承了USB 2.0的优点，并在此基础上进行了多方面的改进。

2.2.1 主要特点

（1）高传输速度

传输速率：USB 3.0支持高达5 Gbps的传输速率（SuperSpeed），是USB 2.0的十倍，大幅提升了数据传输效率。

全双工通信：支持全双工通信，可以同时进行数据的发送和接收。

（2）更高的电力供给

供电能力：USB 3.0提供更高的电力输出，每个端口可以提供900mA的电流，相比USB 2.0的500 mA，有显著提升。

电力管理：改进了电力管理功能，包括更精细的电源控制和低功耗状态。

（3）向后兼容

兼容性：USB 3.0向后兼容USB 2.0和USB 1.1设备，可以使用相同的USB连接器和电缆。

2.2.2 传输类型

USB 3.0支持四种传输类型，每种类型适用于不同的应用场景：

（1）控制传输（Control Transfer）：

用于发送命令和状态信息，如设备初始化和配置。

应用场景：设备识别和配置。

（2）批量传输（Bulk Transfer）：

适用于大数据量传输，具有错误重试机制。

应用场景：文件传输、打印机数据传输。

（3）中断传输（Interrupt Transfer）：

用于小数据量的周期性传输，保证一定的传输速率。

应用场景：键盘、鼠标输入数据传输。

（4）等时传输（Isochronous Transfer）：

用于实时数据传输，没有错误重试机制，但保证数据传输的时效性。

应用场景：音频和视频流传输。

2.2.3 应用场景

个人计算机：广泛应用于台式机、笔记本电脑、外设连接。

存储设备：外置硬盘、U盘等存储设备，可以利用高速传输提高数据传输效率。

消费电子：相机、智能手机、平板电脑等设备的充电和数据传输。

多媒体设备：高清视频摄像机、高清显示器等需要高带宽的设备。

2.2.4 优势与挑战

（1）优势

高性能：提供高达5 Gbps的传输速率，大幅提升数据传输效率。

高电力供给：提供更高的电力输出，支持更多高功耗设备。

广泛兼容性：向后兼容USB 2.0和USB 1.1设备，保持了良好的兼容性。

即插即用：支持即插即用和热插拔，简化了设备连接和使用。

（2）挑战

成本：实现USB 3.0的硬件设计和制造成本较高，可能影响设备价格。

电缆限制：为了保证高速传输，电缆长度推荐不超过3米。

2.2.5总结

USB 3.0通过显著提升数据传输速率和电力供给能力，满足了现代设备对高带宽和高功率的需求。它保持了与USB 2.0和USB 1.1的兼容性，同时提供了更加高效和灵活的连接解决方案。在个人计算机、存储设备和消费电子等领域，USB 3.0为用户带来了更好的体验和更高的效率。

2.3 USB4

USB4是USB（Universal Serial Bus）协议的最新版本，旨在提供更高的数据传输速度、增强的功能和更广泛的兼容性。USB4标准于2019年由USB Promoter Group发布，是基于Thunderbolt 3协议开发的。它统一了USB和Thunderbolt的规范，旨在简化连接器和协议，提升数据传输和电源供给能力。

2.3.1 主要特点

（1）高传输速度

传输速率：USB4支持两种主要的传输速率，20 Gbps和40 Gbps，分别是前代USB 3.2的两倍和四倍。

对称传输：支持全双工通信，即可以同时进行数据发送和接收，提升了数据传输效率。

（2）多协议支持

Thunderbolt 3兼容：USB4完全兼容Thunderbolt 3，意味着支持使用同样的USB-C接口和电缆进行连接，并且提供同样的性能。

DisplayPort和PCIe：支持通过Alt Mode传输DisplayPort和PCIe协议的数据，允许视频输出和高速数据传输。

（3）单一连接器

USB-C接口：USB4使用USB-C接口，具有双向插入的优点，简化了用户使用体验，并且提供更高的功率传输能力。

（4）智能资源分配

动态带宽分配：USB4能够根据连接的设备动态分配带宽。例如，当连接显示器和存储设备时，USB4会智能地分配带宽，以确保显示和数据传输的最佳性能

（5）兼容性和向下兼容

向后兼容：USB4向后兼容USB 3.x和USB 2.0设备，但需要注意的是，传输速度和功能会根据设备和电缆的规格有所降低。

兼容性要求：为了确保兼容性，设备制造商需要遵循USB4规范，确保设备能够与现有的USB和Thunderbolt设备兼容。

2.3.2 应用场景

高性能外设：USB4适用于高带宽需求的外设，如外置显卡、4K/8K显示器、高速存储设备等。

多功能扩展坞：由于USB4支持多协议传输，可以实现视频输出、数据传输和电力传输，通过单一USB-C连接器连接扩展坞，为笔记本电脑提供丰富的扩展功能。

移动设备：智能手机、平板电脑等移动设备可以通过USB4实现快速充电和高速数据传输。

2.3.3 优势和挑战

（1）优势：

高性能：提供高达40 Gbps的传输速率，大幅提升数据传输效率。

多功能性：支持多种协议，允许通过单一接口进行数据、视频和电力传输。

简化接口：使用统一的USB-C接口，减少了不同接口类型的混乱，提升了用户体验。

（2）挑战：

成本：实现USB4的硬件设计和制造成本较高，可能影响设备价格。

生态系统过渡：从旧版本USB过渡到USB4需要时间，用户和制造商需要适应新标准。

2.3.4总结

USB4是最新一代的USB标准，通过融合Thunderbolt 3的技术，提供了更高的传输速率、更多的功能和更好的兼容性。它通过统一的USB-C接口实现数据、视频和电力传输的多功能性，为各种设备提供了高效的连接解决方案。尽管在成本和生态系统过渡方面面临挑战，但USB4代表了未来USB技术的发展方向。

 

三、比较USB 2.0、USB 3.0和USB4的ESD保护方案

USB接口因其高速传输能力（USB 1.1达到12Mbps，USB 2.0为480Mbps，而USB 3.0高达5Gbps）、便捷性、支持即插即用、灵活的连接方式以及为设备独立供电等特点，已成为众多电子产品，特别是消费电子产品的标准配置。USB端口不仅能够传输串行数据，还能向连接的设备提供电力。

3.1 USB 2.0 的ESD保护芯片及方案

针对USB 2.0接口的ESD保护，市面上有多种型号的保护芯片可供选择。以下是一些常见的型号：

1、ESD321：这款ESD保护二极管用于保护USB 2.0的D+和D-线路，具有3.6V的反向工作电压和30/30 kV的IEC 61000-4-2 ESD等级 。

2、ESD441：适用于保护VBUS线路，具有5.5V的反向工作电压和30/30 kV的ESD等级，电容为1pF 。

3、TPD4E05U06：这款器件可以同时处理数据线和电力线，工作电压为5.5V，具有12/15 kV的ESD等级和0.47pF的电容 。

4、NUP4114UPXV6：由安森美半导体生产的低电容瞬态电压抑制器(TVS)二极管阵列，专为USB 2.0高速数据线路设计，具有0.8pF的极低电容，满足13 kV接触放电的IEC61000-4-2标准 。

5、NUP2114：适用于不带ID线路的USB 2.0应用，作为NUP4114UPXV6的替代方案。

6、ESD9L 和 ESD9X：可以搭配使用，作为分立方案保护USB 2.0接口。

7、ESD7L 和 ESD9X：同样可以作为分立方案使用。

8、ESD11L 和 ESD9X：作为最新的分立方案，用于USB 2.0接口的ESD保护。

9、NUP3115UP 或 NUP4114UP：作为带ID线路的USB 2.0应用的集成ESD保护方案。

这些型号的ESD保护芯片能够为USB 2.0接口提供有效的静电放电保护，确保数据传输的稳定性和设备的可靠性。在选择适合的型号时，需要考虑芯片的电容、响应时间、工作电压、ESD等级以及封装尺寸等因素。

图 3-1 显示了实现三个 ESD 保护二极管的方框图。这些二极管连接到连接器与电池充电器或 USB 控制器之间的每条数据和电力线。上图中，ESD321 用于保护 D+ 和 D- 线路，ESD441 用于保护 VBUS 线路。还可以选择使用一个ESD二极管来保护数据和电力线。建议二极管的工作电压大于或等于 5V。

3.2 USB 3.0 的ESD保护芯片及方案

针对USB 3.0接口的ESD保护，以下是一些常见的ESD保护芯片型号及其性能参数：

1、UM5202/UM5204：英联半导体推出的ESD保护器件，符合IEC61000-4-2 Level 4标准，即空气为±15Kv等级，接触为±8Kv等级。UM5204是4通道的ESD保护器件，适用于USB接口以及其他多种接口保护威廉希尔官方网站 。

2、ESD122：德州仪器(TI)提供的ESD保护二极管，具有3.6V的反向工作电压(VRWM)，17/17 kV的IEC 61000-4-2 ESD等级，电容为0.2pF，适用于D+、D-、TX+、TX-、RX+、RX-等线路的保护。

3、TPD4E02B04：同样由TI提供，这款ESD保护器件具有3.6V的反向工作电压和12/15 kV的ESD等级，电容为0.25pF，适用于4通道的USB 3.0高速数据线路保护。

4、SESD1103Q6UG-0020-090：TE Circuit Protection提供的6通道ESD保护阵列，用于保护USB 3.0的六个信号线，具有低电容和高ESD等级的特性。

5、SEULC0524PA：Semiware推荐的ESD保护产品，采用DFN2510P10封装，具有小于0.8pF的低电容，出色的浪涌吸收能力，漏电流小，不含卤素且符合ROHS及REACH测试标准。

6、SESR05：Semiware的另一款ESD保护产品，采用标准表面贴装式SOT-143封装，具有出色的浪涌吸收能力，漏电流小，不含卤素且符合RoHS及Reach测试标准。

这些型号的ESD保护芯片能够为USB 3.0接口提供有效的静电放电保护，确保高速数据传输的稳定性和设备的可靠性。在选择适合的型号时，需要考虑芯片的电容、响应时间、工作电压、ESD等级以及封装尺寸等因素。

图 3-2显示了实现四个 ESD 保护二极管的方框图。这些二极管连接到连接器与电池充电器或 USB 控制器之间的每条数据和电力线。ESD321用于保护D+ 和 D-。TPD4E02B04 用于 TX/RX 线路。还有一些其他选项可以保护 D/TX/RX 线路，例如使用6通道器件，使用多个2通道器件，甚至使用单通道器件。ESD441 用于保护 VBUS 线路。

3.3 USB 4.0 的ESD保护芯片及方案

针对USB4.0接口的ESD保护，以下是一些推荐的ESD保护芯片型号及其性能参数：

1、PESD2V8R1BSF：Nexperia推出的业内首款专门针对USB4标准开发的ESD保护器件，具有行业领先的RF性能。该器件采用Nexperia的TrEOS ESD技术与有源可控硅(SCR)技术，实现极低电容(低至0.1 pF)、极低钳位电压（动态电阻低至0.1 Ω）以及非常稳健的防浪涌与ESD性能（最高可达20A 8/20 µs），适用于10 GHz频率的信号线路，封装为超低电感SOD962 。

2、AZ5B9S-01F：晶焱科技推出的ESD保护组件，特别针对USB4接口设计。该组件具有极低的寄生电容（低于0.2pF），能够顺利通过40Gbit/s的Eye Diagram测试。此外，AZ5B9S-01F拥有在IEC 61000-4-2接触模式8kV ESD冲击下的箝制电压为4.6V，可以有效避免系统产品在ESD测试时发生数据错误或损坏。

3、ULC TVS二极管：TDK推出的TVS二极管，专为高速数据线如USB4®和Thunderbolt®4端口设计，以保障信号完整性。这些TVS元件在正常运行期间不会损害线路上的信号，同时为ESD瞬态提供强大的过电压保护。

4、TrEOS ESD保护技术：Nexperia的TrEOS ESD保护技术，适用于高速数据线如USB4，提供低插入损耗和低回波损耗，同时具备低钳位电压，保护敏感的高速数据线。

5、TPD1E01B0：德州仪器(TI)提供的ESD保护二极管，具有3.6V的反向工作电压(VRWM)，15/17kV的IEC 61000-4-2 ESD等级，电容为0.18pF，适用于D+、D-、TX+、TX-、RX+、RX-等线路的保护。

选择适合的ESD保护芯片时，需要考虑其射频性能、电容、钳位电压、封装尺寸以及对信号完整性的影响。USB4.0接口由于其高速数据传输的特性，对ESD保护芯片的性能要求较高，尤其是在电容和信号完整性方面。上述型号的ESD保护芯片能够满足USB4.0接口的保护需求，确保数据传输的稳定性和设备的可靠性。

对于图 3-3，TPD1E04B04 用于保护 TX/RX 线路，ESD321 用于 D+ 和 D- 线路，ESD441 用于保护 CC 引脚和 VBUS，ESD341 用于保护 SBU 引脚。有许多选项可以保护 USB Type-C，包括使用多通道器件。

四、针对USB 2.0、USB 3.0和USB4的ESD保护方案

4.1 USB 2.0

USB 2.0(480Mbps)

 

 

4.2 USB 3.x的ESD方案

USB 3.2 Gen 1 (5Gbps)

USB 3.2 Gen 2 (10Gbps)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4.3 USB4的ESD方案

 

对于USB4高速接口，选择ESD/EOS保护组件时需考虑以下几点：

（1）为了确保通过USB4传递高速信号完整性，选择该器件时需使用具有较低电容的ESD保护组件

（2）具有较高的ESD耐电压能力，至少要承受IEC 61000-4-2中规定的8kV接触放电的ESD冲击

（3）ESD钳位电压是比较重要参数。较低的钳位电压表示更好的保护性能

为满足以上要求，晶场电子针对USB4 ESD/EOS推出其产品

TT0321SA TT0201SA

 

USB 4.0（20Gbps）

 

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审核编辑 黄宇