20年前，主机与其他设备之间的通信是一项复杂而艰巨的任务。通用串行总线(USB)是由一组公司在1994年开发的，用于用一个可以在主机系统和外围设备之间交换数据的总线取代多个慢总线。在它发布之后，USB因其易于使用和快速的数据传输速率而迅速变得非常流行。20多年过去了，现在所有的消费电子设备都有集成的USB接口。USB接口已经发展了很多，以支持与主机设备及其创新功能的高速通信的现代需求。自推出以来，USB规范已经发展为USB1.1, USB 2.0, USB 3.0, USB 3.1, USB 3.2 (Gen 1, Gen 2, Gen 2x2)， USB Type-C支持Thunderbolt, HDMI和DisplayPort通过特殊模式，最后，向USB 4发展。
尽管USB规范的后续版本满足了更高的数据速率和更高水平的功率传输的需求，USB 2.0仍然在众多电子设备中非常受欢迎，如通用遥控器、安全面板、打印机、相机、扬声器、医疗设备，当然还有跳跃驱动器。
USB 2.0接口的ESD保护
在这一点上，我们需要考虑一个重要的电现象，称为静电放电(ESD)。当我们插拔usb时，主机和外围设备之间可能会发生静电能量的转移。这可能导致ESD事件达到数万伏的阈值。ESD会导致主机或外围收发器的内部电路损坏。ESD保护是通过在USB端口和USB控制器之间放置瞬态电压抑制(TVS)二极管来实现的。理想情况下，TVS二极管放置在尽可能靠近USB端口的地方，以阻止尽可能接近源的瞬态威胁。
图1。USB 2.0引脚配置
如图1所示，USB 2.0有一个4线制接口。VBUS通过电缆从主机向连接的设备提供5V和500mA的电源。D+和D-引脚负责携带差分数据信号。在正常工作条件下，这些差分线路上的电压可达5V。第四个引脚是GND引脚，也称为参考引脚。USB 2.0支持以下数据传输速度:
- 低速- 1.5Mbps
- 全速- 12Mbps
- 高速- 480Mbps
VBUS通过USB电缆为连接的设备提供5V和500mA的电源。TVS二极管应具有快速响应时间，在ESD事件期间立即钳住瞬态电压，以免损坏电路。它还应该具有低夹紧电压，高浪涌电流能力，并且在VBUS引脚保护期间没有器件退化。低夹紧电压是必不可少的。TVS二极管应与USB控制器电路并联连接。在ESD事件中，电视二极管通过低电阻电视路径将高电流从端口转移，从而保护USB端口。这可以有效地抑制高压峰值，并有助于避免系统损坏。在正常工作条件下，TVS二极管呈现到受保护电路的高阻抗路径，因此该设备看起来像一个开路，基本上对系统接口来说是电透明的。然而，这种低阻力路径并非完全没有阻力。二极管上有一个很小的动态电阻。 We can find the dynamic resistance from the current-voltage relationship TLP plots on the datasheet of the TVS diodes. Referring to the slope of the TLP curve, we can see that the dynamic resistance as well as the clamping voltage values are very small. The sharper the slope of the current-voltage characteristic curve, the more efficient the TVS device is clamping. Since the TVS diode and the USB controller are connected in parallel, the voltage drop across the USB controller is the same as the clamping voltage of the TVS diode during an ESD event. So it is vital to keep the clamping voltage as small as possible.
有两种不同的常见配置用于保护USB 2.0端口免受ESD威胁。独立的分立电视二极管可用于分别保护VBUS和D+/D-线，或者在单个芯片中集成电视阵列可用于保护所有三条线。
使用分立电视二极管保护USB 2.0接口
在第一个选项中，Semtechµ夹®0571 p符合所有标准，是一个值得的候选人，以保护USB 2.0 VBUS引脚。µClamp0571P具有5V的工作电压和80A的高浪涌峰值电流能力。它的尺寸为1.6 x 1.0 x 0.5mm。如图2所示为USB 2.0接口的电视保护连接图。
图2。使用分立电视二极管的USB 2.0端口ESD保护
D+和D-引脚携带差分480 Mbps数据信号。由于它们是高速差分数据线，TVS二极管应该在瞬态事件中保护USB端口和电路，同时通过保持低线对线电容来确保信号完整性。Semtech的RClamp®0582 b为双通道器件，可用于保护D+和D-线。RClamp0582B根据IEC 61000-4-2 (ESD)的规范在±30kV(空气)和±30kV(接触)提供瞬态保护。它采用行业标准SOT-523封装。RClamp0582B的最大结电容极低，只有1.2pF，并提供了0.52Ω(典型)的动态电阻。
使用单个TVS二极管保护USB 2.0接口
现在让我们讨论第二种类型的ESD保护，通过使用单个集成电视设备提供。Semtech的RClamp7522T是VBUS和D+/D-引脚的5V电视保护解决方案。RClamp7522T在任何线路和地面之间的最大电容为0.4pF，同时额定处理±25kV(空气)和±15kV(接触)。它符合IEC 61000-4-2标准的规格，并提供5针封装，标称尺寸为1.0 x 0.7 x 0.4 mm。USB 2.0接口与控制器的电视保护连接图如下图3所示。
图3。RClamp7522T USB 2.0接口ESD保护
EMI滤波器和ESD保护的结合
如果我们不提到另一个叫做电磁干扰(EMI)的挑战，关于USB 2.0接口ESD保护的讨论就不完整。EMI是由外部源发射的射频(RF)频谱引起的电路运行中的干扰。使用EMI滤波器可以在保持信号完整性的同时消除不必要的RF噪声，从而避免EMI干扰。集成ESD保护的EMI滤波器可用于过滤这种RF噪声以及防止静电放电。Semtech的EClamp®8052便士，如图4所示，是一个特殊的解决方案，保护D+和D-线免受ESD和EMI在USB 2.0接口。它采用2线集成共模滤波器和ESD保护装置。集成共模滤波器的典型差模截止频率大于3GHz。EClamp8052P还具有典型的共模抑制，在500MHz时为10dB，在1GHz至2.8GHz时为15dB。根据IEC 61000-4-2规范，它的最大通道电容为1.2pF，额定处理±30kV(空气)和±25kV(接触)。
图4。USB 2.0端口的EMI和ESD保护
总结与结论
USB 2.0接口在消费、非手持、工业、医疗和存储设备中仍然非常受欢迎。平均每个人每天使用USB 2.0接口将至少三到四个外围设备连接到他或她的电脑上。保护USB 2.0端口免受灾难性ESD事件的影响是强制性的。任何用户都不希望自己的电子设备因USB接口触发的ESD事件而受损。Semtech的各种电视二极管保护了许多世界上最受欢迎的电子设备。其高效和值得信赖的TVS产品保护所有类型的USB接口，包括USB 2.0。通过使用Semtech电视二极管保护您的USB 2.0端口，您可以享受无问题，无故障的数据传输，同时还提高了受保护设备的可靠性和寿命。
Semtech的标志，EClamp, RClamp，而且μ夹是Semtech Corporation或其关联公司的注册商标或服务标志。
