【導(dǎo)讀】端口對PC外設(shè)的發(fā)展起到了革命性的推動作用，并且正變得越來越流行，比如在采集測量數(shù)據(jù)或在機(jī)器上安裝軟件更新等應(yīng)用中就非常常見。作為用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊环N總線系統(tǒng)，只要有移動設(shè)備連著的地方就有它的身影。雖然在日常生活中使用的連接器看起來非常結(jié)實(shí)，但USB應(yīng)用開發(fā)人員仍然必須重視這些接口的保護(hù)。
在Intel公司的“高速USB平臺設(shè)計指南”中，甚至提高了考慮USB端口易感性因素的重要性。Intel建議用電流補(bǔ)償型扼流圈抑制EMI，再用其它元件防止靜電放電(ESD)。電子設(shè)備經(jīng)常會遭受靜電放電。靜電放電脈沖電壓可能高達(dá)30kV，因此對所有類型的集成電路來說都是非常危險的。目前有些IC對靜電放電來說是“安全的”，但這種安全性只是對一小部分潛在威脅來說是有保證的。日常操作表明：額外保護(hù)是必不可少的。只有采取外部保護(hù)措施才能開發(fā)出整塊電路板不受靜電放電影響以及高度可靠的產(chǎn)品來。專門的抑制措施同樣也是必需的。無線聯(lián)網(wǎng)的電子設(shè)備如今是遍地開花，它們的數(shù)量正在與日俱增。
使自己的產(chǎn)品不受輻射干擾的影響非常重要。只有考慮了預(yù)期的干擾形式，才能在設(shè)計中及時集成必要的抑制元件，進(jìn)而縮短開發(fā)周期。我們知道，自身產(chǎn)品的輻射型干擾也必須處于某個電平之下。這可以通過EMC測試實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行很精確的評估。如果產(chǎn)品沒有通過這種測試，那么立馬返工的成本將超過抑制元件成本的好幾倍。
實(shí)際的抗干擾能力
在提到干擾對USB的影響時，差分模式數(shù)據(jù)傳輸與簡單的同軸電纜相比具有很大的優(yōu)勢。在感性干擾效應(yīng)(磁場)情況下，導(dǎo)線的絞合可以彌補(bǔ)干擾效應(yīng)。鑒于每根雙絞線的部分電感的對稱性，干擾會彼此影響補(bǔ)償效果。這種抗干擾效果在實(shí)際應(yīng)用中會大打折扣。
●USB控制器的輸入/輸出不是完全對稱的，因此USB信號顯示出共模干擾。
●Layout與HF/EMC不兼容，寄生電容和缺少波阻匹配會產(chǎn)生共模干擾。
●電路設(shè)計(USB濾波器)不充分，濾波器影響信號質(zhì)量，和/或插損太低。
●接口設(shè)計(插座，外殼)不充分。不良的接地會減小電纜的屏蔽衰耗。濾波器具有不良的接地參考。
●USB電纜不對稱、屏蔽不良以及沒有足夠好的接地。這種電纜會劣化信號質(zhì)量，輻射信號諧波，對外部干擾源起不到足夠的屏蔽衰減。
問題：其中一些點(diǎn)可能不受影響，這些點(diǎn)包括外購USB控制器的技術(shù)性實(shí)現(xiàn)，或最終用戶使用“便宜的”USB電纜。因此必須采取一些預(yù)防性措施，防止接口受到可能損壞USB控制器的外部干擾的影響，同時通過電纜限制信號的干擾輻射量。
保護(hù)元件的選擇
靜電放電(ESD)保護(hù)的定義為：依照EN 61000-4-2標(biāo)準(zhǔn)防止ESD脈沖，依照EN 61000-4-5防止浪涌脈沖，以及依照EN 61000-4-4防止突發(fā)(EFT)脈沖。瞬態(tài)電壓抑制器(TVS)二極管必須滿足這些功能。重要的是：為了保護(hù)諸如USB等快速數(shù)據(jù)線受到過壓的破壞，應(yīng)該使用具有低電容特性的TVS和陶瓷ESD抑制器，以免USB信號發(fā)生失真。基于這個原因，Würth Elektronik eiSos公司開發(fā)出了專門在這方面作了優(yōu)化的元件，并且在數(shù)據(jù)線上是不可見的。TVS二極管的電容值不到1pF，電容值最高0.2pF的陶瓷ESD抑制器是保護(hù)USB端口的理想選擇。
在選擇元件時需要問幾個問題：有沒有用于軌到軌連接的供電電壓((GND < I/O 信號 < Vcc)？用TVS二極管吧。沒有供電電壓嗎，還是應(yīng)該選用陶瓷元件？在本例中，必須選用TVS二極管，其VDD引腳可以懸空，或使用ESD抑制器。
進(jìn)一步的問題：期望的最大ESD電壓是多少？應(yīng)該保護(hù)一個還是兩個USB端口？有時一條USB數(shù)據(jù)線會連接到了TVS二極管的兩個I/O引腳，這將產(chǎn)生更好的保護(hù)效果，這也是為何優(yōu)先使用TVS二極管陣列的原因。
不要忘了電源
對于一個端到端的EMC兼容設(shè)計而言，對電源(VBUS)進(jìn)行濾波也很重要。許多開發(fā)人員忽視了這一點(diǎn)，卻不知道他們的產(chǎn)品為何通不過EMC實(shí)驗(yàn)室的測試。這里介紹了針對一個或兩個USB端口的兩種優(yōu)化設(shè)計。兩條USB線可以用TVS二極管加以保護(hù)。所有4條信號線以及公共電源都得到了很好的靜電放電保護(hù)。進(jìn)一步的優(yōu)化可以通過用一個電流補(bǔ)償式數(shù)據(jù)線扼流圈和電容，搭建一個LC濾波器濾除輸入端的共模和差模干擾來實(shí)現(xiàn)。在電源端使用WE-CBF系列貼片磁珠可以實(shí)現(xiàn)卓越的抑制性能(圖1)。
圖1：具有靜電放電保護(hù)功能的雙端口USB端口
單通道保護(hù)元件(如WE-VE系列靜電放電抑制器)必須始終連接在信號線與地之間。不必使用小電容的靜電放電抑制器來保護(hù)電源，普通的SMD變阻器就足夠了。它可以吸收較高的能量和較高的電流，因此是設(shè)計的第一選擇(圖2)。
圖2：與屏蔽數(shù)據(jù)線不同，電源端不必使用小電容的靜電放電抑制器
針對USB端口的推薦Layout
從圖3可以明顯看出，有兩條差分信號線(D+和D-)從插頭連接器連接到TVS二極管，再通過電流補(bǔ)償式數(shù)據(jù)線扼流圈連接到USB控制器。這樣能夠得到出色的靜電放電保護(hù)功能，并能良好的抑制數(shù)據(jù)線對。VBUS通過TVS二極管路由到貼片磁珠。在貼片磁珠之后，可以插入額外的電容和另一個貼片磁珠來實(shí)現(xiàn)最大可能的PI濾波器衰減。
圖3：USB端口保護(hù)
在非常敏感的IC和/或高可靠性開發(fā)案例中，通過兩次連接TVS二極管引腳可以實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的靜電放電保護(hù)效果(圖4)。
圖4：USB端口的雙重保護(hù)
希望采用單通道保護(hù)元件的開發(fā)人員可以使用WE-VE系列靜電放電抑制器。這些抑制器總是必須從D+/D-連接到地。還要連接其它一些元件，如圖5所示。
圖5：采用單通道元件的保護(hù)機(jī)制
小結(jié)
在EMC兼容設(shè)計中應(yīng)避免風(fēng)險。必須要指出的是，干擾會威脅到數(shù)據(jù)通信的完整性——特別是對于通過USB實(shí)現(xiàn)的數(shù)據(jù)傳輸而言。EMC不是“可有可無”，或用來滿足什么法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)，而是一種質(zhì)量指標(biāo)。為了盡可能在設(shè)計早期就徹底排除EMC問題，業(yè)界推出了專門針對快速數(shù)據(jù)線特殊狀態(tài)剪裁的元器件，它們不僅可以減少開發(fā)工作量，而且最重要的是可以避免關(guān)鍵的EMC測試結(jié)果之后的返工。
