在“保護您的端口！保持通信連接的頂級設計技巧”系列的第二部分中，我們探討了保護高速接口的方式，包括 USB、HDMI、DisplayPort 和 eSATA。

存在大量通信電路和協議以服務于廣泛的應用。由于這些電路在不同的設備之間傳輸和接收數據，因此接口的端口會受到對其電路的外部威脅。這些威脅包括閃電造成的電流過載和電壓瞬變、電氣快速瞬變 (EFT) 和靜電放電 (ESD)。

這些電路需要保護免受這些外部威脅造成的損壞，但不能破壞接口的傳輸協議。實施保護方案后，通信電路必須可靠地傳輸未損壞的數據；并且，接收方必須準確地檢測和解碼信息，以完全恢復原始數據。

本文是有關保護通信接口的系列文章中的第二篇。第一個提出了用于保護以太網供電接口端口的解決方案**]()。本文向電子設計工程師提供了保護高速接口的建議，同時不影響傳輸/接收性能或干擾產品尺寸限制。

考慮了四種通信協議：

• 通用串行總線 (USB) 標準隨著更高速度的格式不斷發展；
• 高清多媒體接口 (HDMI)；
• DisplayPort 接口；
• 和外部串行高級技術附件 (eSATA)。

表 1 描述了這些標準的用途及其當前的最大帶寬。

表 1.通信協議、功能和最大數據速率

USB接口

USB 端口在個人計算機、計算機外圍設備、電子測試和測量儀器以及眾多其他產品中無處不在。USB 接口允許在計算機、智能設備和外圍設備之間輕松快速地連接。它于 1996 年首次標準化，并且一直在以更高的速度發展，并允許為電池供電的設備充電的更多電力承載能力。

該USB-實施者論壇（USB-IF）已經升級通過四個主要版本的標準。有線 USB 標準從 1.0 版開始，已經發展到 2.0 版、3.x 版，目前是修訂版 4，USB4。

表 2 列出了從 2.0 到 USB4 的版本，并顯示了每個版本的最大吞吐量如何大幅增加。

表 2. 當前活動的 USB 接口版本及其最大數據傳輸速率

不同的數據速率允許 USB 端口與從慢速鍵盤到高速視頻設備的設備連接。設計人員可以利用通用接口，其中信號線不專用于一種設備的特定功能。此外，設計人員可以設置 USB 接口，以便為時間關鍵功能提供低延遲或支持在后臺運行的大量數據傳輸。

此外，該標準還定義了 USB 版本 1 至 3 的供電 (PD) 版本。PD 版本允許設備通過 USB 接口充電和供電。電源容量從 2.5 W (5 V @0.5A) 增加到 100 W (20 V @ 5A)。

USB 連接器也已經發展到能夠實現更高的數據速率和更高的電源可用性。圖 1 顯示了用于每個 USB 版本的各種連接器的引腳配置和相對連接器尺寸。表 3 顯示了每個連接器可以達到的最大數據速率。

圖 1.為各種 USB 標準設計的 USB 連接器

表 3. USB 連接器類型的最大數據速率

保護 USB 2.0 接口

USB 2.0 接口由一條 VBUS 電源線和兩條數據線組成，如圖 2a 所示。

圖 2.推薦的 USB 2.0 和 USB 3.2 接口保護組件

VBUS 線可以從交流電源線接收電源，它會受到在交流電源線上傳播的電流過載和電壓瞬變的影響。應在VBUS線路上安裝自恢復保險絲以防止過載，以便在過載解決后自恢復保險絲將復位，電路可以繼續工作。

聚合物正溫度系數 (PPTC) 保險絲是一種自恢復保險絲，其電阻因過載電流產生的熱量而顯著增加。PPTC熔斷器的內部結構在過載時會發生變化，從而導致電阻增加。當器件冷卻時，低電阻結構恢復。這些保險絲設計用于最大額定電壓通常為 24 V 的低壓電路。

PPTC保險絲的其他特點是：

• 超低電阻，范圍從 mΩ 到約 2 Ω，當電流低于保險絲的跳閘額定值時
• 100 mA 至 9 A 的寬額定電流范圍
• 快速旅行時間
• 0402 至 2920 尺寸的節省空間的表面貼裝封裝
• UL 組件認可和 TUV 批準。

為了保護由 VBUS 線路供電的電路免受電源線感應瞬變和靜電放電 (ESD) 沖擊，請使用單向瞬態電壓抑制器 (TVS) 二極管陣列。此類二極管陣列的版本提供：

• 能夠安全吸收高達 40 A 的電快速瞬變電流和 5 A 的雷擊電流
• 能夠承受 ±30 kV ESD 沖擊，無論是通過空氣還是通過直接接觸
• 在 5 V 電路中的最大低漏電流為 0.5 μA
• 節省空間的 0201 表面貼裝封裝

務必保護數據線免受可能破壞數據傳輸的電壓瞬變的影響。考慮用于數據線保護的 4 通道 TVS 二極管陣列。

圖 3 所示的二極管陣列具有以下功能：

• 安全吸收 +22 kV ESD 空氣或直接接觸沖擊和 – 10 kV ESD 空氣或直接接觸沖擊
• 對數據線的影響最小，每個引腳對地的電容為 0.3 pF。
• 10 nA 的低漏電流可實現電路上的最小負載。

因此，只需要三個組件即可完全保護 USB 2.0 端口。

圖 3.帶有用于瞬態電壓保護的齊納二極管的 4 通道 TVS 二極管陣列

保護 USB 3.2 接口

如上圖 2b 所示，USB 3.2 接口包括一條 VBUS 線和 6 條數據和控制線。使用推薦的相同組件來保護 VBUS 線路，如針對 USB 2.0 接口討論的過流和過壓事件。為了保護 6 條數據線免受電壓瞬變的影響，可以考慮在每個端口上使用一個分立的 TVS 二極管陣列。

單個 TVS 二極管陣列可以具有以下功能：

• 從電快速瞬變中安全吸收高達 40 A 的峰值電流
• ESD 保護高達 ±18 kV 空中和 ±12 kV 直接接觸
• 漏電流低，最大值為 20 nA
• 0.09 pF pin-pin 的低電容，不會影響信號完整性

使用單獨的 TVS 二極管可以為高速 USB 端口提供更大的保護，并具有更低的電容組件，從而將對數據傳輸容量的影響降至最低。

通過供電修訂保護高速 USB 3.2 和 USB 4.0 接口

USB 3.2 Gen 2x1 及更高版本需要使用 Type-C 連接器。從圖1可以看出，Type-C連接器是一種高密度連接器。因此，由于灰塵和污垢可以進入連接器，Type-C 連接器很容易受到觸點之間電阻短路的影響。

由于電源引腳上的功率高達 100 W，因此始終存在損壞連接器和相關電路的可能性。使用配置通道 (CC) 線上的數字溫度指示器保護 USB Type-C 連接器免受與電阻故障相關的熱量的影響，如圖 4 所示。

圖 4.推薦的 USB 3.2 和 USB 4.0 Type-C 接口保護組件

配合CC線上的數字溫度指示器，它可以在任何功率條件下提供準確的保護，從最低水平如5W一直到最大能力的USB-C，100W。

為了防止瞬變，請考慮使用不同版本的 TVS 二極管陣列。為 SuperSpeed 線路選擇具有最低電容的 TVS 二極管陣列。通過選擇具有低漏電流的 TVS 二極管陣列來保持低功耗，特別是對于 VBUS 線路。

如果您的產品將用于汽車行業，請選擇符合 AEC-Q101 標準的 TVS 二極管陣列（汽車電子委員會基于故障機制的分立半導體壓力測試認證）。

保護 HDMI、DisplayPort 和 eSATA 接口

高清晰度多媒體接口（HDMI）、DisplayPort和eSATA接口端口建議采用類似的保護方案，因此將這三個接口一起考慮。HDMI 將來自顯示控制器的高清視頻和數字音頻結合到視頻顯示設備或音頻設備。HDMI 被稱為事實上的高清電視標準。自 2004 年以來，HDMI 接口已被納入產品中。現在是 2.1 版，可以以最大 48 Gbps 的速率傳輸數據。

DisplayPort 接口旨在將視頻數據從視頻源傳輸到顯示設備，例如 PC 顯示器。這種可以同時傳輸音頻和視頻的接口取代了VGA標準。DisplayPort 于 2006 年首次推出。2.0 版的目標數據速率為 77 Gbps，預計將于今年晚些時候完成。該接口兼容HDMI接口。該視頻電子標準協會保持DisplayPort標準。

該串行高級技術附件（SATA）接口，最初由IBM為IBM PC AT并行格式開發，定義了一個接口，也就是現在的磁盤驅動器的行業標準接口。外部 SATA (eSATA) 標準在 2004 年發展起來，為外部硬盤驅動器連接創建了強大的連接。

保護這三個接口（如圖 5 所示）免受破壞性瞬變可能需要單一組件類型，即四線 TVS 二極管陣列。

圖 5. HDMI、DisplayPort 和 eSATA 接口的推薦保護

圖 6 顯示了 4 線 TVS 二極管陣列的配置。

圖 6. TVS 二極管陣列，用于抑制 4 條高速數據線上的電壓瞬變

TVS 二極管陣列（例如 4 線陣列）提供：

• 0.2 pF 的超低電容，對傳輸眼圖影響不大
• 25 nA 漏電流可實現最低功耗
• 通過空氣或直接接觸傳輸提供高達 ±20 kV 的 ESD 保護
• SOD 883 封裝可節省 PC 板空間并降低走線布局的復雜性。

保護您的端口可增強產品的穩健性和可靠性

保護傳輸接口涉及選擇為電路提供保護而不影響傳輸信號的組件。幸運的是，不需要很多組件。但是，需要考慮的組件范圍很廣。

在設計和選擇保護組件時利用制造商的專業知識，以節省寶貴的開發時間。制造商可以幫助提供具有成本效益的解決方案的建議。保護您的設計免受電流過載和電壓瞬變的影響，將產生穩健、可靠的設計，從而提高您的產品在市場上的聲譽并降低保修期內的服務成本。