关于硬件:USB端口的ESD防护电路设计

USB 作为一种十分遍及的接口，在各种电子终端设备上都有应用。作为硬件设计中的重点思考项，ESD 防护设计显得尤为重要，然而，在理论电路中，咱们常常能够看到各种不同的防护设计方案，有些计划甚至彼此相同；在理论的 ESD 测试中，也会呈现反对不同计划的各种后果。

针对 USB 端口的防护设计，最好这样来离开探讨： 线路防护和壳体防护 （有些非专业的同志喜爱抽象来对待，这样不利于正确地解决 ESD 问题）。实际上咱们理论中碰到的绝大部分 ESD 问题都是外壳受扰所引起的，起因有二：一是 USB 接口采纳了金属外壳，所以接口线路个别不会间接受到 ESD 能量的烦扰；二是 USB 信号线自身有比拟好的抗 ESD 个性，加上辅助的 TVS 等防护器件，使得信号线受扰的几率降到很低。

基于以上两点，咱们先着重剖析一下 USB 外壳的防护，再剖析信号的自身的防护设计。

一、USB 外壳的防护

首先，后面曾经提到，所有的 USB 设施接口均为金属外壳，所以依照 ESD 测试规范，个别咱们采纳接触放电的形式，当然，也存在某些接口金属过于内缩，影响间接接触，这时则必须采纳空气放电的形式，有时候放电形式的抉择很重要。

接下来，咱们须要相熟一下 ESD 放电的回流门路，如下图：

在这里，顺便解释一下，同 EMI 剖析一样，ESD 问题也必须理解两点：一是搞清 ESD 能量的最小阻抗门路或次要门路；二是找出真正的 ESD 敏感点。

在理论的案例中，因为产品的形态各异，ESD 的回流门路也会有很大不同，有些产品往往会有多个 ESD 回流的门路，上图中，ESD 能量通过 USB 的金属壳体达到主板外部，而后大略会通过三种不同的通道来泻放，一是通过电源线泻放到地；二是通过体电容泻放到参考立体的地；三是通过低压电容和网络变压器，泻放到辅助设施上，再间接泻放到地。

那么，针对不同的泻放门路， 作为设计者，咱们能够做的就是管制各条门路的阻抗，让能量沿着远离 ESD 敏感点的低阻抗门路回到大地 ，这就是咱们常常提到的两大手法：“堵”（减少阻抗）和“疏”（减小阻抗）。

上面拿一个典型产品来介绍，如下图：

该产品个别的配置如上图中形容，那么，当 USB 金属外壳引入 ESD 时，咱们来具体分析一下各条泻放门路的阻抗：

1）沿电源线泻放。 须要思考的参数有：USB 接口到电源接头的地的连续性；电源适配器线缆阻抗（个别很小，能够忽略不计）；电源适配器的对地电容大小（这个参数很要害）。

2）通过 PCB 自身与地之间的体电容泻放。 须要思考的参数有：PCB 的层数，上上层之间的连贯阻抗等；PCB 的大小，摆放形式及离地高度（决定了体电容的大小）。

3）通过低压电容和网络变压器泻放。 须要思考的参数有：间隔静电放电点的远近；低压电容自身的阻抗；辅助设施的接地阻抗等。

本案例中，电源适配器线缆的对地阻抗相对而言是最低的，因而大部分 ESD 能量会通过此门路泻放。其次是抉择通过网线放电到电脑主机的形式，当然此时要思考电脑主机自身是否接地良好，而且咱们也不心愿以这种与邻为壑的放电形式放电，它可能导致周边设备的损坏。而利用自身的体电容放电，对于接地设施而言个别影响在高频段范畴内，能量比拟弱。但对于齐全浮地的设施则能起到至关重要的作用。综上所述，咱们首先须要保障的是电源线局部的接地阻抗问题，即千方百计让静电能量通过电源适配器回路到地。

上面给出了一个典型的 USB 端口电路图和 layout 示意图：

USD 接口防护原理图

USB 接口 PCB 图

整改试验过程很简单，归纳如下：

由以上试验，能够剖析得出以下论断：

第一，通过体电容放电的形式对此产品无明显改善，预计这是因为存在更低回流的门路，使得体电容的影响变得十分小；第二，通过扭转 ESD 的流向，使得大部分静电通过就近的电源端口到地，能够极大地改善 ESD 防护性能，爱护外部电路。

接下来要钻研的是 ESD 敏感点的排查。 通常状况下，不同的产品，排查的难易度有很大区别。越简单的 PCB，排查起来越艰难，具体方法在这里就不一一赘述了。仅列出几条防护设计要点进去，如下：

• 要害信号线，敏感线等尽量远离 ESD 测试点走线，举荐在要害信号的芯片端加上去耦电容。
• 要害信号线个别为复位，中断，控制线，在 layout 时要求凑近地或电源，并尽量走短线。
• 很多状况下，ESD 问题是因为浮地设施的地电位变动引起的，因而，在 ESD 敏感区域，该当留神电源和地的去耦设计，以避免 ESD 引起地和电源的电位变动。

综上试验剖析，对于不同类型的产品，USB 外壳的防护设计不尽相同，然而，咱们依然能够演绎出一些通用的教训：

• USB 金属外壳地采纳低阻抗形式连贯到可能的回路上（如电源的地），最好间接采纳零欧姆电阻或磁珠相连，而不要采纳 1nF 的低压电容；
• 金属外壳与主地之间采纳隔离伎俩隔开；
• 金属外壳地最好经由 PCB 的 bottom 层回流，因为个别的敏感器件在 PCB 的侧面搁置。

二、USB 端口信号线的防护设计

家喻户晓，USB 由四根信号线组成：5V 的电源线，Data+，Data-，地线，上面给出了几个简略的防护电路设计图：

关注要点：

1） 对于 5V 电源线的防护，无论有没有防护器件，必须要在端口处加对地去耦电容，用于 ESD 的回流作用。

2） 对于个别数据线 D +，D-，间接蒙受大能量 ESD 的可能性比拟低，尖端放电可能起不到作用，而差模尖端放电则更无必要。若有 cost down 需要，可将此处的防护器件去掉，或改为低成本的压敏电阻。

3） USB 的信号地线，肯定要保障间接接地，而不要采纳其余隔离形式（事实上此地线基本上不起到 ESD 防护作用，只是 EMI 回流而已）。

三、USB 端口电源的设计要求

USB 接口有 host 和 slave 之分，大部分产品的 USB 为 host 类型，即外接 USB 设施，并供应 5V 的直流电源。在这种状况下，对输入电源的污浊性提出了很高要求。以下典型案例进行阐明：

案例问题阐明： 一个无线网关产品，通过 USB 接口外接数据卡设施，当采纳 USB1.1 的数据卡时，连贯没有问题；而换用 USB2.0 的高速数据卡时，则会呈现找不到 USB 设施或者无奈上网的问题，采纳外接的 5V 电源供电，则不会呈现此问题。另外，若在信号线 D +，D- 上加共模电感，问题也不会呈现。

起因剖析： 由试验可知，干扰源在于 USB 的 5V 电源，电源的不洁净影响到了 USB 数据线，使得设施掉线。

接下来剖析 USB 电路, 首先列出 USB 端口电源的设计方案图，如下：

该电路中，12V 输出电源通过 DC/DC 转换成 5V 电源后间接供应了 USB 端口，没有采纳磁珠隔离措施。

而在 PCB layout 图中，能够发现，DC/DC 输入后，通过电感和电容整流，但输入电容和输出电容相隔比拟远，两头又有电感挖空的区域，使得回流门路不太通顺。

解决方案：

① 在 5V 输入端减少一个磁珠到 USB 电源端口，滤除 USB 端口 5V 电源的杂波。

② 采纳人工飞线的形式把 DC-DC 的输出电容和输入电容的地连接起来，以减小回流门路。

试验证实，该计划能够解决 USB2.0 设施掉线的问题，在今后的设计中，咱们须要特地留神 USB 端口电源的滤波问题，必须让 USB 设施提供一个比拟污浊的电源。