USB是一種通用的串行總線標(biāo)準(zhǔn)，定義了數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議和電源供應(yīng)規(guī)范，用于連接計(jì)算機(jī)與外部設(shè)備。USB接口的設(shè)計(jì)初衷是為了簡化計(jì)算機(jī)與外部設(shè)備之間的連接，通過一個(gè)統(tǒng)一的接口標(biāo)準(zhǔn)來替代以往計(jì)算機(jī)上眾多的串行和并行接口。USB 3.1是 USB 3.0的升級(jí)版本，理論速度最高可達(dá)10Gbps，完全向下兼容現(xiàn)有的USB連接器與線纜。它包含Gen1和Gen2兩個(gè)版本，其中Gen1最高速度為5Gbps（實(shí)際與USB 3.0相同），Gen2則達(dá)到10Gbps。其廣泛應(yīng)用于消費(fèi)電子、計(jì)算機(jī)和外設(shè)等領(lǐng)域，如文件傳輸、攝像頭、打印機(jī)、掃描儀等。

由于USB 3.1高速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)較小，且金屬引腳外露，最普遍的應(yīng)用就是隨插即用、隨拔即關(guān)，然而這個(gè)熱插拔動(dòng)作卻也經(jīng)常是造成電子系統(tǒng)工作異常、甚至造成后續(xù)電路毀壞的元兇，所以在端口設(shè)計(jì)時(shí)常常考慮使用器件對(duì)接口進(jìn)行靜電保護(hù)，以確保能穩(wěn)定可靠地工作。普通的防護(hù)方案或許會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)的傳輸造成一定影響，隨著消費(fèi)類電子產(chǎn)品需求的持續(xù)增長，對(duì)ESD保護(hù)器件性能加強(qiáng)的需求也越來越強(qiáng)烈。靜芯微系列產(chǎn)品可以充分滿足客戶的設(shè)計(jì)要求。

USB 3.1接口介紹

Type-A、Type-B、Type-C是USB 3.1標(biāo)準(zhǔn)下的三種接口類型。實(shí)際使用中，Type-A是最常見的USB接口，廣泛應(yīng)用于電腦、主機(jī)、充電器等設(shè)備；Type-B接口通常用于連接大型外設(shè)，如打印機(jī)、掃描儀等，在USB 3.1中的應(yīng)用相對(duì)較少。

在USB 3.1標(biāo)準(zhǔn)中，Type-C作為一種接口被正式提出并進(jìn)入標(biāo)準(zhǔn)化階段。Type-C具有正反可插、小巧便攜、支持更高功率傳輸?shù)葍?yōu)點(diǎn)。在USB 3.1中，Type-C接口得到了廣泛應(yīng)用，并成為了未來USB接口的主流方向。

圖1 Type-A、Type-B接口引腳

表1 Type-A、Type-B接口引腳功能描述

圖2 Type-C接口引腳

表2 Type-C接口引腳功能描述

USB 3.1接口應(yīng)用方案

1.Type-A和Type-B接口

圖3 USB 3.0 Type-A/Type-B應(yīng)用方案

USB 3.1的靜電防護(hù)主要分為兩部分。

VBUS引腳和兼容USB 2.0的一對(duì)差分線（D+ 和 D-）共用一片四引腳回掃型ESD防護(hù)器件SELC143T5V2UA進(jìn)行防護(hù)。SELC143T5V2UA是湖南靜芯研發(fā)的一款低電容雙通道單向帶VCC保護(hù)的ESD靜電保護(hù)器件，可適用于USB 2.0、USB 3.0、IO接口和音視頻轉(zhuǎn)換接口等接口的信號(hào)線防護(hù)。

兩對(duì)高速差分線SSTX+/-和SSRX+/-采用深回掃型ESD防護(hù)器件SEUCS2X3V1BB進(jìn)行防護(hù)， SEUCS2X3V1BB是湖南靜芯研發(fā)的一款超低電容ESD靜電保護(hù)器件，專門設(shè)計(jì)用于保護(hù)高速數(shù)據(jù)接口免受過應(yīng)力事件的影響，可適用于USB接口的高速差分信號(hào)線防護(hù)。

SEUCS2X3V1BB的工作電壓為3.3V，鉗位電壓為6.4V，具有 0.28pF的極低電容，可確保信號(hào)完整性。根據(jù)IEC 61000-4-2 (ESD)規(guī)范， SEUCS2X3V1BB可用于提供高達(dá)±30kV(接觸放電)，±30kV(空氣放電)的ESD保護(hù)，并根據(jù)IEC61000-4-5標(biāo)準(zhǔn)承受高達(dá)14A(8/20μs)的峰值脈沖電流。

該器件的相關(guān)曲線圖及參數(shù)如表4所示。

擊穿電壓曲線	漏電流曲線
結(jié)電容曲線	IV曲線

表4 SEUCS2X3V1BB相關(guān)曲線圖

2.Type-C接口

圖5 USB 3.0 Type-C應(yīng)用方案

①高速差分線TX+ ,TX- ,RX+, RX-

在 USB 3.1標(biāo)準(zhǔn)中，發(fā)射器 (TX)和接收器 (RX)線支持高達(dá)10Gbps的高速 USB接口和交替模式的數(shù)據(jù)傳輸。由于接口試圖在傳輸大量內(nèi)容時(shí)仍保持極高速度，但數(shù)據(jù)線需要經(jīng)常插拔，在插拔的過程中有可能因?yàn)橄M(fèi)者的觸摸或金屬引腳短接引發(fā)靜電放電（ESD）等問題，因此選擇合適的 ESD防護(hù)器件至關(guān)重要。

湖南靜芯旗下SEUCS2X3V1B擁有卓越的ESD保護(hù)特性，專為保護(hù)超高速USB差分線路而設(shè)計(jì)，同時(shí)保持 0.14pF的極低線間典型電容，確保信號(hào)完整性。SEUCS2X3V1B可對(duì)單路高速數(shù)據(jù)線進(jìn)行靜電防護(hù)，工作電壓為 3.3 V，鉗位電壓為僅為5.5V，封裝為DFN0603-2L，符合IEC 61000-4-2 (ESD)規(guī)范，在 ±15kV（空氣）和 ±15kV（接觸）下提供瞬變保護(hù)。

②總線電源VBUS

USB 3.1在使用PD協(xié)議的情況下功率高達(dá)100W，則VBUS上的最大電壓可以達(dá)到20V，最大電流為5A。VBUS引腳的安全性就需要使用工作電壓高于 20V的防護(hù)器件來保護(hù) VBUS引腳。

我們選用的是湖南靜芯研發(fā)的一款工作電壓為22V的瞬態(tài)轉(zhuǎn)向抑制器(TDS)，型號(hào)為ESTVS2200DRVR。TDS設(shè)計(jì)用于提供高能量 EOS保護(hù)，不使用傳統(tǒng)的 PN結(jié) TVS二極管進(jìn)行保護(hù)，而是使用額定浪涌 FET作為壓控開關(guān)進(jìn)行保護(hù)。當(dāng)檢測到 EOS事件時(shí)，即瞬態(tài)電壓攀升至超過集成精密觸發(fā)器所設(shè)定的擊穿電壓（VBR）閾值，觸發(fā)電路立即啟動(dòng)，開啟泄流場效應(yīng)管，有效地將瞬態(tài)電流安全釋放到地。TD器件與標(biāo)準(zhǔn)TVS器件相比具有更優(yōu)越的鉗位和溫度特性，能有效保護(hù)包含 PD功能的 USB Type-C接口。

ESTVS2200DRVR器件為DFN封裝，工作電壓為22V，可在 ESD和浪涌事件期間保護(hù) USB-PD控制器。它具有27V的最小擊穿電壓和70A的峰值脈沖電流,且符合IEC 61000-4-2 (ESD)規(guī)范，在 ±30kV（空氣）和 ±30kV（接觸）下提供瞬變保護(hù)。

③D+/D-差分線

D+/D-兩個(gè)引腳是用于兼容USB 2.0接口，D+和D-引腳承載速率為480Mbps的差分?jǐn)?shù)據(jù)信號(hào)，這對(duì)差分線上的電壓在正常工作條件下可以達(dá)到 5V。推薦采用湖南靜芯的一款低電容ESD保護(hù)器件SELC2X5V1BT，該器件的工作電壓為5V，鉗位電壓為22V，結(jié)電容僅為0.3pF，封裝為DFN0603-2L，符合IEC 61000-4-2 (ESD)規(guī)范，在 ±25kV（空氣）和 ±22kV（接觸）下提供瞬變保護(hù)。

④CC、SBU和VCONN引腳

CC1、CC2作為Type-C的識(shí)別通道，可用于識(shí)別連接設(shè)備和確定功率方向，建立和管理兩個(gè)連接端口之間的源和接收器連接。CC引腳在插座中設(shè)有兩個(gè)，插頭中設(shè)有一個(gè)，可用于辨識(shí)插頭朝向并促進(jìn) USB4數(shù)據(jù)總線通信的建立。當(dāng)其中一個(gè) CC引腳未被使用時(shí)，它會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)?VCONN引腳，服務(wù)于 USB Type-C電子標(biāo)記電纜（EMC）。VCONN是一個(gè)5V1W的電源，用于為帶有電子標(biāo)記的 Type-C電纜內(nèi)的集成電路 (IC)供電。若電纜不具備電子標(biāo)記功能，意味著內(nèi)部沒有電子設(shè)備，因此無需VCONN引腳供電，此時(shí)該引腳在 USB Type-C插頭上會(huì)處于未連接狀態(tài)。

SBU1、SBU2是 DisplayPort和其他數(shù)據(jù)信號(hào)在 Alt模式下工作的輔助通道，可用于支持高速數(shù)據(jù)或支持其他附加功能，在不同的應(yīng)用場景具有不同的用途。例如在ALT MODE模式下進(jìn)行DP信號(hào)傳輸時(shí)，作為音頻傳輸通道；在進(jìn)入Type-C模擬音頻耳機(jī)附件模式，則作為麥克風(fēng)信號(hào)傳輸通道。

在使用USB-PD的情況下，VBUS引腳電壓可以達(dá)到20V，由于CC/SBU引腳緊挨著 VBUS引腳，如果發(fā)生短路，CC/SBU引腳將暴露在20V下,可能會(huì)對(duì)系統(tǒng)造成損害，為了避免此現(xiàn)象的發(fā)生，我們需要在CC/SBU引腳附近設(shè)置工作電壓大于20V的靜電保護(hù)元件。

湖南靜芯研發(fā)的雙向ESD靜電保護(hù)器件SEUCS2X24V1B是保護(hù) CC/SBU引腳的完美解決方案。SEUCS2X24V1B采用超小型DFN0603-2L封裝，工作電壓為24V，鉗位電壓為5.6V，結(jié)電容僅為0.12pF， 符合IEC 61000-4-2 (ESD)規(guī)范，在 ±15kV（空氣）和 ±15kV（接觸）下提供瞬變保護(hù)。

電氣特性表

At TA = 25℃ unless otherwise noted

表5 SEUCS2X3V1BB電氣特性表

表6 SEUCS2X3V1B電氣特性表

表7 SELC143T5V2UA電氣特性表

表8 SEUCS2X24V1B電氣特性表

表9 SELC2X5V1BT電氣特性表