20年前，主机与其他设备之间的通信是一项复杂而困难的任务。通用串行总线(USB)是1994年由一组公司开发的，用来用一个可以在主机系统和外设之间交换数据的总线取代多个慢总线。随着它的发布，USB很快变得非常受欢迎，因为它的使用方便和快速的数据传输速率。快进到二十多年前，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。自从它的引入，USB规范已经发展为USB1.1, usb2.0, usb3.0, usb3.1, usb3.2 (Gen 1, Gen 2, Gen 2x2)， USB Type-C支持Thunderbolt, HDMI和通过特殊模式的DisplayPort，最后，usb4。
尽管USB规格的连续版本迎合了更高的数据速率和更高的功率传输水平的需求，USB 2.0仍然在众多电子设备中非常受欢迎，如万能遥控器、安全面板、打印机、相机、扬声器、医疗设备，当然，还有跳载驱动器。
usb2.0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，主机和外设之间可能会发生静电能量的转移。这可能导致ESD事件达到数万伏特的阈值。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控制器之间放置一个瞬态电压抑制(TVS)二极管来实现的。理想情况下，TVS二极管尽可能靠近USB端口，以阻止瞬态威胁尽可能接近源。
图1。USB 2.0的引脚配置
如图1所示，USB 2.0有一个4线接口。VBUS通过电缆从主机向附属设备提供5V和500mA的电源。D+和D-引脚负责携带差分数据信号。在正常运行条件下，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支持以下数据速度:
- 低速- 1.5Mbps
- 全速- 12Mbps
- 高速- 480Mbps
VBUS通过USB电缆向附加设备提供5V和500mA电源。TVS二极管应具有快速响应时间的特点，在ESD事件期间，在它能立即破坏电路之前钳住瞬态电压。它还应该具有低夹紧电压，高浪涌电流能力和在VBUS引脚保护期间没有设备退化。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。在防静电事件中，电视二极管通过低电阻电视路径将高电流从端口转移开，从而保护USB端口。这有效地抑制了高电压峰值，有助于避免系统损坏。在正常工作条件下，TVS二极管向受保护电路呈现高阻抗路径，因此该设备看起来像一个开路电路，本质上显示为电透明的系统接口。然而，这种低电阻路径并非完全无电阻。在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以用来分别保护VBUS和D+/D-线，或者在单个芯片中集成电视阵列可以用来保护所有三条线。
利用离散电视二极管保护USB 2.0接口
在第一个选项中，Semtechµ夹®0571 p符合所有标准，是一个值得保护USB 2.0 VBUS引脚的候选人。µClamp0571P工作电压5V，峰值电流80A。它的包装尺寸为1.6 x 1.0 x 0.5mm。USB 2.0端口的电视保护连线图如图2所示。
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480mbps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，同时通过保持较低的线对线电容确保信号完整性。Semtech的RClamp®0582 b为双通道器件，可用于保护D+线和D-线。RClamp0582B提供符合IEC 61000-4-2 (ESD)规范的在±30kV(空气)和±30kV(触点)的瞬态保护。它是在行业标准SOT-523包中构建的。RClamp0582B的最大结电容极低，只有1.2pF，动态电阻为0.52Ω(典型)。
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静电防护，通过使用单一的集成电视设备提供。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，额定处理±25kV(空气)和±15kV(接触)。这符合IEC 61000-4-2标准的规范，并提供在一个5引脚封装，公称尺寸为1.0 x 0.7 x 0.4 mm。USB 2.0端口与控制器的电视保护连线图如图3所示。
图3。RClamp7522T USB 2.0接口的静电防护
EMI滤波器和ESD保护的组合
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接口的ESD保护的讨论就不完整。电磁干扰是由外部源的射频(RF)频谱发射引起的电路运行的干扰。使用EMI滤波器可以避免EMI干扰，它可以消除不必要的射频噪声，同时保持信号完整性。集成ESD保护的EMI滤波器可以用来过滤这种射频噪声以及防止静电放电。Semtech的EClamp®8052便士，如图4所示，是一个例外的解决方案，以保护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分模截止频率大于3GHz。EClamp8052P还具有典型的共模抑制10dB在500MHz和15dB从1GHz到2.8GHz。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接口的EMI和ESD保护
摘要和结论
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。一般人每天使用USB 2.0接口将至少3到4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事件的影响是必须的。任何用户都不希望由于USB接口触发的ESD事件而对其电子设备造成损坏。Semtech的各种电视二极管保护着许多世界上最流行的电子设备。其高效和可信的电视产品保护所有类型的USB接口，包括USB 2.0。您可以享受无问题，无故障的数据传输通过保护您的USB 2.0端口与Semtech电视二极管，同时也增强了受保护设备的可靠性和寿命。
Semtech, Semtech标志，EClamp, RClamp，还有μ夹Semtech Corporation或其关联公司的注册商标或服务标志。
