保護(hù)高速傳輸接口

現(xiàn)有眾多通信電路和協(xié)議服務(wù)于廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。由于這些電路在不同的設(shè)備之間傳輸和接收數(shù)據(jù)，因此這些設(shè)備接口的端口所面臨的外部威脅會(huì)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(hù)措施以避免外部威脅造成的損壞，但不能影響設(shè)備接口的傳輸協(xié)議。實(shí)施電路保護(hù)方案后，通信電路必須可靠地傳輸未損壞的數(shù)據(jù)；而且，接收器必須準(zhǔn)確地檢測和解碼信息，以獲取完整的原始數(shù)據(jù)。

本文提供重要建議，使電子設(shè)計(jì)工程師能夠保護(hù)高速接口，同時(shí)不妨礙傳輸/ 接收性能，也不會(huì)影響產(chǎn)品尺寸限制。

我們在這里考慮四種通信協(xié)議：不斷發(fā)展以提高速度的通用串行總線（USB）標(biāo)準(zhǔn)、高清多媒體接口（HDMI）、DisplayPort 接口和外部串行高級(jí)技術(shù)附件（eSATA）。表1 描述了這些標(biāo)準(zhǔn)的用途及當(dāng)前的最大帶寬。

表1 通信協(xié)議、功能和最大數(shù)據(jù)速率

1   USB接口

USB 端口無處不在，包括個(gè)人計(jì)算機(jī)、計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備、電子測試和測量儀器以及眾多其他產(chǎn)品。USB 接口允許在計(jì)算機(jī)、智能設(shè)備和外圍設(shè)備之間輕松快速地進(jìn)行連接。USB 于1996 年首次標(biāo)準(zhǔn)化，并且一直發(fā)展演進(jìn)，不僅速度提高，也提供更大的載電能力，允許為電池供電設(shè)備進(jìn)行充電操作。

USB 開發(fā)者論壇（USB-IF）一直對(duì)USB 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行升級(jí)，已推出了四個(gè)主要修訂版本[1]。從1.0 版本開始，經(jīng)過2.0 版本、3.x 版本演進(jìn)，有線USB 標(biāo)準(zhǔn)目前已升級(jí)到修訂版本4（USB 4）。表2 列出了從USB 2.0到USB 4 的各個(gè)版本，顯示了每個(gè)版本的最大吞吐量如何大幅增加。不同的數(shù)據(jù)速率允許USB 端口與各種設(shè)備進(jìn)行連接，從慢速鍵盤到高速視頻設(shè)備。設(shè)計(jì)人員可以充分利用通用接口的優(yōu)勢，其中信號(hào)線并非專用于一種設(shè)備的特定功能。此外，設(shè)計(jì)人員可以設(shè)置USB 接口，以實(shí)現(xiàn)針對(duì)時(shí)間關(guān)鍵型功能的低延遲特性或者支持在后臺(tái)運(yùn)行的大量數(shù)據(jù)傳輸。該標(biāo)準(zhǔn)還定義了USB 標(biāo)準(zhǔn)1 ～ 3 的供電（PD）版本。PD 版本允許設(shè)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(dāng)前活躍的USB接口版本及其最大數(shù)據(jù)傳輸速率

USB 連接器已經(jīng)發(fā)展到能夠?qū)崿F(xiàn)更高的數(shù)據(jù)速率和更高的電源可用性。圖1 顯示了用于各個(gè)USB 標(biāo)準(zhǔn)版本的不同連接器引腳配置和相對(duì)連接器尺寸。表3則顯示了每款連接器可以達(dá)到的最大數(shù)據(jù)速率。

圖1 針對(duì)不同USB標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的USB連接器

表3 各種類型USB連接器的最大數(shù)據(jù)速率

2   保護(hù)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(shù)據(jù)線組成。Vbus 線可以從交流電源線接收電源，但會(huì)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(yīng)當(dāng)在Vbus 線路上安裝自恢復(fù)保險(xiǎn)絲以防止過載；在過載問題解決后，自恢復(fù)保險(xiǎn)絲將會(huì)復(fù)位，使得電路可以繼續(xù)正常工作。聚合物正溫度系數(shù)（PPTC）保險(xiǎn)絲是一種自恢復(fù)保險(xiǎn)絲，其電阻因過載電流產(chǎn)生的熱量而大幅增加。PPTC 熔斷器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)在過載時(shí)會(huì)發(fā)生變化，從而導(dǎo)致電阻增加。當(dāng)器件冷卻時(shí)，則恢復(fù)低電阻的結(jié)構(gòu)。PPTC 保險(xiǎn)絲設(shè)計(jì)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(dāng)電流低于保險(xiǎn)絲的維持電流額定值時(shí)，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(dòng)作；

●   采用0402 至2920 尺寸的表面貼裝封裝，以節(jié)省空間；

●   UL 組件認(rèn)可和TUV批準(zhǔn)。

為了保護(hù)由Vbus 線路供電的電路免受電源線感應(yīng)瞬變和靜電放電（ESD）沖擊的影響，請(qǐng)使用單向瞬態(tài)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(dá)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(jié)省空間的0201 表面貼裝封裝。

為保護(hù)數(shù)據(jù)線，免受可能破壞數(shù)據(jù)傳輸?shù)碾妷核沧兪录挠绊憽？紤]使用四通道TVS 二極管陣列以保護(hù)數(shù)據(jù)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(gè)引腳的對(duì)地電容為0.3 pF，對(duì)數(shù)據(jù)線的影響最小化；

●   10 nA 的低漏電流，實(shí)現(xiàn)最小的電路負(fù)載。

因此，只需3 個(gè)組件即可完全保護(hù)USB 2.0 端口。

●   0.09 pF 引腳到引腳低電容，不會(huì)影響信號(hào)完整性。

使用單獨(dú)的TVS 二極管可以為高速USB 端口提供更好的保護(hù)，并使用更低電容的組件，從而最大限度地減小對(duì)數(shù)據(jù)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(hù)組件

4   修訂P D 以保護(hù)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(jìn)入其中，所以Type-C 連接器可能容易受到觸點(diǎn)之間電阻短路的影響。由于電源引腳上的功率高達(dá)100 W，因此始終有可能損壞連接器和相關(guān)電路。如圖4 所示，通過使用配置通道（CC）線路上的數(shù)字溫度指示器，防止USB Type-C 連接器受到與電阻故障相關(guān)的發(fā)熱影響。通過CC 線路上的數(shù)字溫度指示器，可以在任何電源情況下提供準(zhǔn)確的保護(hù)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(guān)實(shí)施這項(xiàng)熱保護(hù)功能的更多詳細(xì)信息，請(qǐng)參閱USB Type-C標(biāo)準(zhǔn)^[2]。

為了防止瞬變事件影響，請(qǐng)考慮使用不同型款TVS 二極管陣列?？蔀镾uperSpeed 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(duì)于Vbus 線路。如果用戶的產(chǎn)品將用于汽車行業(yè)，請(qǐng)選擇符合AEC-Q101 認(rèn)證組件規(guī)范的TVS 二極管陣列（AEC-Q101 是汽車電子委員會(huì)基于失效機(jī)制的分立半導(dǎo)體應(yīng)力測試認(rèn)證規(guī)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(tài)電壓保護(hù)

圖4 推薦用于USB 3.2和USB 4.0 Type-C接口的保護(hù)組件

5   保護(hù)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(hù)方案，因此可以結(jié)合考慮這三種接口。HDMI 結(jié)合來自顯示控制器的高清視頻和數(shù)字音頻內(nèi)容，接入到視頻顯示設(shè)備或音頻設(shè)備^[4]。HDMI 被稱為事實(shí)上的高清電 視標(biāo)準(zhǔn)。自2004 年起HDMI 接口就被納入產(chǎn)品中。目前最新的2.1版本標(biāo)準(zhǔn)能夠以最大48 Gbps 速率傳輸數(shù)據(jù)。DisplayPort 接口旨在將視頻數(shù)據(jù)從視頻源傳輸?shù)斤@示設(shè)備，例如PC 顯示器。這種可以同時(shí)傳輸音頻和視頻的接口取代了VGA 標(biāo)準(zhǔn)。DisplayPort 于2006年首次推出。2.0 版本的目標(biāo)數(shù)據(jù)速率為77 Gbps，預(yù)計(jì)將于今年晚些時(shí)候完成。DisplayPort 接口兼容HDMI 接口。視頻電子標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)（VESA） 維護(hù)DisplayPort 標(biāo)準(zhǔn)^[5]。

串行高級(jí)技術(shù)附件（SATA）接口最初是由IBM為IBM AT PC 以并行格式開發(fā)的，從而定義了一款接口，現(xiàn)在它是磁盤驅(qū)動(dòng)器的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)接口^[6]。2004 年發(fā)展制訂了外部SATA（eSATA）標(biāo)準(zhǔn)，可為外部硬盤驅(qū)動(dòng)器連接創(chuàng)建穩(wěn)健的連接。

為了保護(hù)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(duì)傳輸眼圖影響不大；

●   25 nA 漏電流，可實(shí)現(xiàn)最低功耗；

●   通過空氣或直接接觸傳輸提供高達(dá)±20 kV 的ESD 保護(hù)。

圖5 推薦用于HDMI、DisplayPort和eSATA接口的保護(hù)組件

圖6 用于抑制四條高速數(shù)據(jù)線上的電壓瞬變的TVS二極管陣列

6   保護(hù)端口增強(qiáng)產(chǎn)品的穩(wěn)健性和可靠性

保護(hù)傳輸接口，包括選擇可保護(hù)電路而不會(huì)影響傳輸信號(hào)的組件。幸運(yùn)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(yè)知識(shí)來設(shè)計(jì)和選擇保護(hù)組件，以節(jié)省寶貴的開發(fā)時(shí)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(shè)計(jì)受到電流過載和電壓瞬變狀況的影響，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)健可靠的設(shè)計(jì)，從而提高客戶產(chǎn)品在市場上的聲譽(yù)，并降低保修期內(nèi)的服務(wù)成本。

參考文獻(xiàn)：

[1] USB開發(fā)者論壇網(wǎng)站[EB/OL].https://www.usb.org/.

[2] 通用串行總線Type-C電纜和連接器規(guī)范[EB/OL].2.0版.USB開發(fā)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(huì)網(wǎng)站(AECMain(aecouncil.com))[EB/OL].http://aecouncil.com/index.html.

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

[5] 視頻電子標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)網(wǎng)站(VESA–顯示行業(yè)接口標(biāo)準(zhǔn)[EB/OL]).https://vesa.org/.

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

(本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2021年11月期）