端口保護

USB 端口徹底改變了 PC 外圍設備，并變得越來越普及，例如，在計算機上獲取測量數據或安裝軟件更新。作為數據傳輸的總線系統，在需要連接移動設備的地方隨處可見 USB 端口。雖然日常生活中使用的連接器看似堅固，但是 USB 應用程序的開發人員仍不能忽視對其接口的保護。

甚至在英特爾的“高速 USB 平臺設計指南”中都提出了人們對 USB 端口電磁敏感性的關注。

英特爾建議將電流補償扼流圈用于抑制電磁干擾以及將相關部件用于防止靜電放電。電子元件會出現靜電放電。因為靜電放電脈沖電壓高達 30 kV，所以會危害所有類型的集成電路。

雖然目前一些集成電路面對靜電放電是“安全的”，但這種安全只能在一小部分潛在威脅中得到保證。日常實踐表明：額外的保護是不可或缺的。只有具有外部保護才是完整的無靜電放電基板，從而可研發高度可靠產品。專門的抑制措施同樣有必要。無線連接電子設備再生活中無處不在，且數量還在持續增長。讓自己的產品不受輻射干擾很重要。只有考慮到預期的干擾形式，才能將必要的濾波部件迅速融入到設計中并縮短研發時間。眾所周知，我們也必須將自己的產品輻射干擾維持在一定水平以下。這是電磁兼容性測試實驗室進行的非常精確的評估。如果產品未能通過此測試，則多次返工成本很快就會超過濾波部件的成本。

實際抗干擾性能

說到干擾對 USB 的影響，差模數據傳輸提供的優勢明顯優于簡單的同軸電纜。在感應干擾效應（磁場）情況中，電線的纏繞可實現對干擾效應的補償。由于各個雙絞線的部分電感的對稱化作用，干擾影響此消彼長。實際情況中此抗干擾能力會受到損害。

· 如果 USB 控制器的輸入/輸出不夠對稱，則 USB 信號顯示出共模干擾。

· 布局并非高頻/電磁兼容的寄生電容且波阻抗匹配的缺乏會產生共模干擾。

· 因為電路設計（USB 濾波器）不足，所以濾波器會影響信號質量和/或插入損耗太低。

· 接口設計（插座、殼體）不足。接地較差會降低電纜的屏蔽衰減。濾波器的接地基準欠佳。

· USB 電纜非對稱，屏蔽不良，且接地不充分。電纜降低信號質量、輻射信號諧波且對外部干擾源沒有充分的屏蔽衰減。

問題：上述部分情況無法去除影響，其中包括購買的 USB 控制器的技術實現或者使用“廉價”USB 電纜的終端用戶。因此，采取的保護措施必須能夠保護接口，使其免受外部干擾影響，這些外部干擾可能會破壞 USB 控制器并影響通過電纜的信號的干擾輻射。

保護部件的選擇

將防止靜電放電定義為：按照 EN 61000-4-2 進行保護防止 ESD 脈沖、按照 EN 61000-4-5進行保護防止浪涌脈沖以及按照 EN 61000-4-4 進行保護防止電快速 (EFT) 脈沖。瞬態電壓抑制器 (TVS) 二極管必須滿足這些功能。這里重要的是：為保護諸如 USB 的快速數據線使其免遭過電壓，應采用 TVS 和低寄生電容的陶瓷靜電放電抑制器，以便不會出現 USB 信號失真的情況。

瞬態電壓抑制器二極管的電容量必須低于 1 pF，而電容量小于等于 0.2 pF 的陶瓷 ESD抑制器是保護 USB 端口的一個不錯選擇。

在選擇部件時需要提出的幾個問題：是否有針對軌對軌連接的電源電壓（GND < 輸入/輸出信號 < Vcc）？選取瞬態電壓抑制器二極管。是否有電源電壓或陶瓷部件是否應是首選部件？在此情況下，必須為可浮置的 VDD 端或使用的靜電放電抑制器選擇瞬態電壓抑制器二極管。其它問題：預期的最大靜電放電電壓是多少？應保護一個還是兩個 USB 端口？順便提下，如果將一條 USB 數據線連接至瞬態電壓抑制器二極管的兩個輸入/輸出引線，則這么做總能提供更好的保護，這就是為什么最好采用瞬態電壓抑制器二極管陣列的原因。

請勿忘記電源

對于端到端電磁兼容合規性設計，電源的濾波也很重要 (VBUS)。許多開發人員忽略了這個問題，想知道為什么它們的產品不能通過 EMC 實驗室中的測試。此處介紹的是針對一個或兩個 USB 端口的兩個優化設計?？刹捎靡粋€瞬態電壓抑制器二極管保護兩條 USB 線。保護四條信號線以及公用電源，使其免遭靜電放電。可通過設置帶有一個電流補償數據線扼流圈和電容器旨在的濾除輸入時的共模和差模干擾的 LC 濾波器而實現再次優化。可采用 WE-CBF 系列的 SMD 鐵氧體磁珠在電源處進行良好的抑制。（圖 1）

圖 1:具有靜電放電保護的雙端口 USB 端口

務必從信號線到地面連接諸如 WE-VE 系列的靜電放電抑制器的單路保護部件。不得將低電容靜電放電抑制器用于保護電源，此處一個標準的 SMD 壓敏電阻已相當足夠。這可吸收更高的能量和更高的峰值電流，所以是設計中的首選。（圖 2）

圖 2：與屏蔽數據線相比，電源無需低電容靜電放電抑制器。

USB 端口的建議布局

正如圖 3 所示，將兩條不同信號線（D+ 與 D-）從插塞式連接器傳送到 TVS 二極管，繼續通過電流補償數據線扼流圈，直至 USB 控制器。結果是獲得了極佳的靜電放電保護以及良好抑制了數據線對噪聲。通過瞬態電壓抑制器二極管將 VBUS 傳送到 SMD 鐵氧體。在 SMD 鐵氧體之后，可插入另一個電容器和另一個 SMD 鐵氧體，從而獲得 PI 濾波器的最大可能衰減。

圖 3：USB 端口的保護

如果是非常靈敏的集成電路和/或高可靠性研發，則可通過雙接觸瞬態電壓抑制器二極管（824 015 型號）管腳而實現最佳靜電放電保護。（圖 4）

圖 4：USB 端口的雙重保護

更喜歡單路保護元件的研發者可采用 WE-VE 系列靜電放電抑制器。務必從 D+/D 到 GND連接抑制器。此處所示為其它部件的連接。圖 5

圖 5：單路元件保護

結論

應避免電磁兼容合規性設計中的風險。必須排除威脅數據通信完整性的干擾 - 尤其是通過 USB 的數據傳輸。雖然電磁兼容性只是“錦上添花”的功能或在規范和標準中未作要求，但它卻是一個衡量質量的重要特征。為在設計中盡早可靠排除電磁兼容性問題，應為快速數據線的特殊條件定制部件，這樣做將減小研發工作量，尤其可避免因標準電容兼容測試的結果不理想而返工。

審核編輯：湯梓紅