USB是一種通用的串行總線標準，定義了數據傳輸協議和電源供應規范，用于連接計算機與外部設備。USB接口的設計初衷是為了簡化計算機與外部設備之間的連接，通過一個統一的接口標準來替代以往計算機上眾多的串行和并行接口。USB 4.0版本于 2019年發布，支持高達 40 Gbps的連接,在PD 3.1供電下功率可達180W，同時提供與 Thunderbolt 3&4的交叉兼容性。

近年來，隨著超高速通信和提高電力傳輸水平的需求日益增長，USB通信協議不斷發展，USB的接口制造工藝也不斷升級。在數據傳輸速率不斷提高的情況下，主控芯片采用了更為先進的制程技術，但是對電氣過應力 (EOS)和靜電放電 (ESD)事件更加敏感，因此我們需要找到最佳方案保護 USB Type-C端口免受 ESD威脅的危害。本文將詳細介紹適合USB 4.0&PD 3.1的ESD&EOS防護完整解決方案。

USB 4.0介紹

USB 4.0規格通過雙通道實現高達 40Gbps的數據傳輸。USB Type-C連接器可以正面朝上或朝下插入，由上下兩側相同的兩組引腳組成24個引腳。其中四個引腳（Tx1+、Tx1-、Rx1+、Rx1-）用兩個差分對創建一個超高速數據傳輸通道，另外四個引腳（Tx2+、Tx2-、Rx2+ Rx2-）用另一組兩個差分對組成第二個通道。引腳配置如下圖1所示，這種雙通道配置以每通道 20Gbps的速度傳輸數據，在使用兩個通道時速度可達 40Gbps。

USB 4.0規格支持第三方協議，包括交替模式（Alt模式）下的 DisplayPort 2.0。在 Alt模式下，USB Type-C連接器可以直接連接到 DisplayPort器件并傳輸顯示信號，無需任何額外的電路，速度最高可達 80Gbps，是僅用于 USB數據傳輸的兩倍。在 Alt模式下，所有顯示數據通過所有 8條數據線（Tx1+、Tx1-、Rx1+、Rx1-、Tx2+、Tx2-、Rx2+、Rx2-）進入顯示監視器。

圖1 USB Type-C引腳配置

表1 USB Type-C引腳功能描述

保護USB4免受EOS&ESD影響

圖2整體應用方案

1.高速差分線TX+ ,TX- ,RX+, RX-

在 USB 4.0標準中，發射器 (TX)和接收器 (RX)線支持高達 40Gbps的超高速 USB接口和交替模式的數據傳輸。由于接口在傳輸大量內容時數據線需要經常插拔，在熱插拔的過程中有可能因為消費者的觸摸或金屬引腳短接引發靜電放電（ESD）等問題，因此選擇合適的 ESD防護器件至關重要。

湖南靜芯研發的SEUCS2X3V1B專為保護超高速USB差分線路而設計，同時具有0.14pF的極低電容，可確保信號完整性。SEUCS2X3V1B可對單路高速數據線進行靜電防護，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)規范，在 ±15kV（空氣）和 ±15kV（接觸）下提供瞬變保護。

圖3 SEUCS2X3V1B器件TLP曲線

圖4 SEUCS2X3V1B眼圖測試結果

2.總線電源VBUS

USB PD 3.1可以提供高達180W的功率，則VBUS上的最大電壓可以達到36V，最大電流為5A。VBUS引腳的安全性就需要使用工作電壓為36V左右的防護器件來保護 VBUS引腳。

我們選用的是湖南靜芯開發的平緩浪涌抑制器(TDS) ESTVS3300DRVR，可用于保護工作電壓為28V、33V和36V的系統，具有精準且恒定的觸發電壓、優異的鉗位性能及穩定的溫度特性，可為系統提供更全面保護。TDS與TVS二極管不同，TDS耗散浪涌能量較小，能通過自身特性將過壓與過流事件高效泄放到地，從而避免增加自身熱損耗。這一特性使得TDS在體積上能夠大幅降低，為硬件工程師設計高度集成型解決方案提供了更優選擇。此外，TDS器件的鉗位電壓會比TVS二極管低40%，因此減少了系統的電氣應力，可以更好的保護后端IC，工程師可更靈活選擇更低耐壓的主控芯片，提高了系統的電能利用效率、可靠性以及降低整體系統成本。

ESTVS3300DRVR器件為DFN封裝，工作電壓為33V，可在 ESD和浪涌事件發生時保護 USB-PD控制器。它具有38.7V的觸發電壓和50A的峰值脈沖電流,且符合IEC 61000-4-2 (ESD)規范，在 ±30kV（空氣）和 ±30kV（接觸）下提供瞬變保護。

VC vs. IPP(tp= 8/20μs)	37.8V@18.6A
38.2V@35.5A	38.6V@49.1A

表2 ESTVS3300DRVR相關曲線圖

3.D+/D-差分線

D+/D-兩個引腳是用于兼容USB 2.0接口，D+和D-引腳承載速率為480Mbps的差分數據信號，這對差分線上的電壓在正常工作條件下可以達到 5V。推薦采用湖南靜芯的一款低電容ESD保護器件SELC2X5V1BT，該器件的工作電壓為5V，鉗位電壓為22V，結電容僅為0.3pF，封裝為DFN0603-2L，符合IEC 61000-4-2 (ESD)規范，在 ±25kV（空氣）和 ±22kV（接觸）下提供瞬變保護。

4.CC、SBU和VCONN引腳

CC1、CC2作為Type-C的識別通道，可用于識別連接設備和確定功率方向，建立和管理兩個連接端口之間的源和接收器連接。CC在插座中設有兩個，插頭中設有一個，可用于辨識插頭朝向并促進 USB 4.0數據總線通信的建立。當其中一個 CC引腳未被使用時，它會轉變為 VCONN引腳，服務于 USB Type-C電子標記電纜（EMC）。VCONN是一個5V1W的電源，用于為帶有電子標記的 Type-C電纜內的集成電路 (IC)供電。若電纜不具備電子標記功能，意味著內部沒有電子設備，因此無需VCONN引腳供電，此時該引腳在 USB Type-C插頭上會處于未連接狀態。

SBU1、SBU2是 DisplayPort和其他數據信號在 Alt模式下工作的輔助通道，可用于支持高速數據或支持其他附加功能，如模擬音頻和視頻傳輸等。在 USB 4.0協議中，它們被稱為 SBTX和 SBRX。SBTX是USB 4.0控制器的串行發送信號，SBRX是USB 4.0控制器的串行接收信號。SBTX/SBRX在USB 4.0中用于主機器件和外設之間進行通信、初始化數據線、交換器件管理信息、控制數據等。

在使用USB-PD的情況下，VBUS引腳電壓可以達到36V，由于CC/SBU引腳緊挨著 VBUS引腳，如果發生短路，CC/SBU引腳將暴露在36V下,可能會對系統造成損害，為了避免此現象的發生，我們需要在CC/SBU引腳附近設置工作電壓大于36V的靜電保護元件。

湖南靜芯研發的雙向ESD靜電保護器件SEUCS2X36V1B是保護 CC/SBU引腳的完美解決方案。SEUCS2X36V1B采用超小型DFN0603-2L封裝，工作電壓為36V，鉗位電壓為5.6V，結電容僅為0.14pF， 符合IEC 61000-4-2 (ESD)規范，在 ±15kV（空氣）和 ±15kV（接觸）下提供瞬變保護。

器件電氣特性表

At TA = 25℃ unless otherwise noted

表3 SEUCS2X3V1B電氣特性表

表4 SEUCS2X36V1B電氣特性表

表5 ESTVS3300DRVR電氣特性表

表6 SELC2X5V1BT電氣特性表

總結與結論

通過 USB Type-C連接器實現的 USB 4.0規格已成為主流接口，能以 40Gbps的超快速度傳輸數據，兼容DisplayPort 2.0標準，并啟用USB PD 3.1模式實現功率為180W的雙向電力傳輸。盡管不斷升級的USB接口標準大幅提升了數據傳輸速率，提供了卓越的視頻質量和更高的分辨率，但同時在遇到靜電放電（ESD）沖擊時，其接口內部更易受損需要合適的靜電保護。

湖南靜芯推出22V&33V TDS平緩浪涌抑制器，可用于保護工作電壓為20V、24V、28V、36V的系統，具有精準且恒定的觸發電壓、優異的鉗位性能及穩定的溫度特性，可為系統提供更全面保護。同時靜芯深回掃型系列ESD器件工作電壓涵蓋1.0~38V，電流涵蓋4~30A，電容最低至0.1pF，封裝涵蓋CSP、FC及各類封裝形式。結合TDS器件與深回掃ESD優勢，湖南靜芯是國內首家推出USB 4.0完整解決方案的公司。