瞬雷电子:USB保护电路的EMC设计

上网时间: 2013年04月01日? 作者:赵金龙? 我来评论 【字号: ? ?小】

关键字:ESD? USB3.0? EMI?

USB是一个外部总线标准,用于规范电脑与外部设备的连接和通讯。USB接口支持设备的即插即用和热插拔功能。USB信号传输电缆通常是双绞屏蔽线,其内部包含3对USB信号线和1对电源线,在传输通道上的输入电压值为4.07-5.25V,传输的最大电流约为900mA。USB接口的传输速率很高,像USB2.0最大的传输速率为480Mbit/s,USB3.0的传输速率更是10倍USB2.0的传输速率。并且USB3.0已经渐渐投入市场,必将是未来发展的趋势!但随着传输速率的增大如何提高USB信号的传输质量,减小电磁干扰EMI和静电放电ESD成为USB设计的关键。瞬雷电子一直致力于这方面的研发,从产品研发到系统设计无不尽心尽力。现以USB3.0为例,从保护电路设计方面对此进行分析。

减小电磁干扰EMI:当USB接口中带有电源信号,对电源信号需要进行滤波处理。电源线上串联一个300Ω/2A磁珠,并在电源线上的磁珠两端并联电容,电容的取值一般在0,01uF到0,1uF之间。USB差分线对上串联一个共模扼流圈。对于共模扼流圈(共模电感)的选择,应主要考虑共模扼流圈的差摸寄生电感对高速USB信号的影响。如果寄生差摸电感太大,就会对USB信号产生衰减,影响USB接口的工作性能。

以上这些措施可以有效的减少电磁干扰EMI但对静电的防护效果就差了很多,由于USB接口具有可热插拔性,USB接口很容易因人为因素而导致静电损坏器件,比如死机、复位等,更严重的会烧坏板子。因此,使用USB接口的用户迫切要求加入防ESD的保护器件。瞬雷电子现将这方面的经验与工程师朋友们分享:对于接地设备,USB的ESD保护电路原理如图1,ESD保护器件分别并联在电路中的USB数据线、电源线、工作地线和大地或金属外壳(屏蔽层)之间。对于不接地设备, USB的ESD保护电路原理如图2,ESD保护器件则分别并联在电路中的USB数据线、电源线和磁珠之前的工作地GND之间,并将USB电缆屏蔽层与GND通过Y电容相连或者直接相连。

瞬雷电子:USB保护电路的EMC设计_《国际电子商情》_1
图1
Source

瞬雷电子:USB保护电路的EMC设计_《国际电子商情》_2
图2
Source

差分线对因数据传送速度高达4.8Gbps,则需要连接寄生电容非常小的器件,瞬雷电子生产的TUSD05H4U静电保护器其动作电压为7V,反应速度快,钳位电压精确,结电容小于1PF,较大电容的保护器件可导致数据信号波形恶化甚至出现位错误。经我司实验室测试结果显示,寄生线电容高于1.2PF的ESD保护器件可能会在高速数据传输时产生很大的信号干扰,导致USB3.0 无法正常读取数据。对于USB2.0接口,寄生电容为5PF都不会影响信号传输。

该方案所占体积小、成本低对静电放电ESD及电磁干扰EMI的防护效果很好,实用性强。

作者:赵金龙

SPSEMI瞬雷电子 应用工程师

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  • USB3.0是什么,USB3.0和2.0的区别
  • 什么是USB3.0
    USB3.0是由Intel、微软、惠普、德州仪器、NEC、ST-NXP等业界巨头组成的USB3.0推广小组于2008年11月18日宣布已经正式完成并公开发布USB3.0标准。USB3.0标准提供了十倍于USB 2.0的传输速度和更高的节能效率,可广泛用于PC外围设备和消费电子产品。
    USB3.0和2.0的区别
    1. USB3.0的数据带宽是USB2.0的十倍,可以达到5Gb/s(480MB/s),同步传输带宽也能达到384MB/s,这是USB3.0与2.0的主要区别之一;
    2. 低功耗(在20MB/s的数据传输量时大约比USB2.0低25%的功耗);
    3. USB3.0比2.0更节能,对于暂时处于等待状态的设备,可以使用节电模式;
    4. USB3.0可以通过线缆提供更大的功率(2.5W 提升到4.5W);
    5. USB3.0是向下兼容的,支持USB2.0设备,但USB2.0则不能支持USB3.0。

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