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。