我们生活中随处可见的一种连接端口名为通用串行总线，简称USB。无论是技术专家还是电脑小白，生活中都离不开USB。有些人甚至不知道它叫USB，但依然每天使用这个端口为自己的移动设备充电。USB使用简便、数据传输速率快，因此广受欢迎。
二十多年以来，无论是笔记本电脑与相机，还是智能手机与可穿戴设备，几乎所有的消费电子产品都配备一个或多个USB接口。然而，USB自问世以来，变化巨大。在超过25年的时间里，USB规已经从1996年的USB 1.0发展到最新版本USB4®。
下图1所示为USB标准的演变及相应的数据传输速率。
USB通信协议不断发展，以支持超高速通信和不断提高的电力功率传输水平；USB连接器类型也在不断进化，以满足主机器件及其创新功能的需求。
与之前的版本USB 3.2和Thunderbolt 3一样，USB4也通过使用USB Type-C®连接器提供令人叹绝的功能。从根本上说，USB Type-C是连接器，USB4是通信协议。广受欢迎的USB Type-C端口根据USB3.x和USB4协议传输数据，经常会受到电气过载 (EOS) 和静电放电 (ESD) 事件的影响。
随着数据传输速率达到一个空前的水平，与前几代IC相比，使用更精细的硅几何形状实现这些数据速率的IC对EOS和ESD事件更加敏感。因此，必须很好地保护USB Type-C端口免受ESD威胁的危害。
本文将详细介绍适合使用USB4通信标准的USB Type-C连接器保护方案。
USB4规范
USB4规范的一个功能是通过双通道传输速率高达40Gbps的数据。数据在两组四个双向引脚对之间传输。USB Type-C连接器可以正面朝上或朝下插入，并且由上下两侧相同的一组12引脚组成，共24个引脚。四个引脚（Tx1+、Tx1-、Rx1+、Rx1-）用两个差分对创建一个通道，另外四个引脚（Tx2+、Tx2-、Rx2+ Rx2-）用另一组两个差分对组成第二个通道。引脚配置如图2所示。这种双通道配置以每通道20Gbps的速度传输数据，在使用两个通道时速度可达40Gbps。
USB4规范的另一个独特功能是支持第三方协议，例如交替模式（Alt 模式）下的 DisplayPort 2.0。在Alt模式下，USB Type-C连接器可以直接连接到DisplayPort器件并传输显示信号，无需任何额外的电路。Alt模式下的DisplayPort 2.0单独使用时最高可达80Gbps，速度是仅用于USB数据传输的两倍。在Alt模式下，所有显示数据通过所有8条数据线（Tx1+、Tx1-、Rx1+、Rx1-、Tx2+、Tx2-、Rx2+、Rx2-）进入显示监视器。
保护USB4免受EOS和ESD影响
考虑到USB Type-C插口的微小尺寸及其引脚的紧密排布，如图2所示，分立式单线电路保护器件非常适合保护端口免受ESD和浪涌事件的影响。分立式TVS二极管也更便于设计人员进行布局和走线。
1）SuperSpeedUSB数据传输线
在USB4标准中，发射器 (Tx) 和接收器 (Rx) 线支持高达 40Gbps的超高速USB接口和交替模式的数据传输，分辨率高达8K (7680 x 4320)，刷新率为60Hz。由于接口试图在传输大量内容时仍保持极高速度，因此选择合适的ESD防护器件至关重要。
我们每天在电子设备上插拔USB电缆。当消费者触摸或使用USB端口时，就可能并且经常会产生ESD。这些ESD事件可以由用户（人体）或电缆上存储的电荷产生。因此，谨慎的做法是为SuperSpeed USB数据传输线提供足够的保护。
Semtech的RClamp®01211ZC具有卓越的ESD保护特性，专为保护SuperSpeed USB差分线路而设计。它提供卓越的ESD防护，同时保持0.17pF的极低线间典型电容（图 3），确保信号完整性。RClamp01211ZC在10GHz时提供-0.25dB的浅插入损耗，在10GHz时提供-22dB的回波损耗（图 3）。保持钳位电压尽可能低对于减小Rx、Tx输入线上的压力至关重要。RClamp01211ZC提供低于4.2V的钳位电压，动态电阻仅为0.47Ω。它的封装也是非常紧凑的0201 (0.6 x 0.3 x 0.25mm) 封装。
图 4. USB4应用的Tx、Rx线路保护
此外，在USB4应用中，Rx和Tx差分线都需要一个交流耦合电容器。这样，主机和连接器之间只有交流信号耦合，没有直流电流可以流过。此外，它还可以存储ESD电流，直到在VBUS短路的情况下将功率耗散到地。对于Rx差分线路，应将TVS二极管放置在电容器的收发器侧。TVS二极管放置在发射器和Tx线上的交流耦合电容器之间。上图4所示为RClamp01211ZC的连接图，同时保护符合USB4标准的USB Type-C连接器中的Tx、Rx SuperSpeed USB差分线。
2）VBUS引脚
另一个关键考虑因素是功率传输。与之前的USB规范一样，USB4支持供电 (USB-PD)。如果主机和外围设备都有可用的USB-PD选项，则USB Type-C可以提供高达100W的功率。使用USB-PD时，外围设备可以选择高达20V的VBUS电压，最大电流为5A。如果任何应用都不需要USB PD，则VBUS可以支持5V3A，可传输的功率达15W。自然而然地，VBUS引脚的安全性就需要使用工作电压高于20V、快速响应、低钳位电压的ESD防护器件来保护VBUS引脚。低电容不是VBUS线的考虑因素，因为它通常对附加电容不敏感。
新型SurgeSwitch™TDS2211P器件非常适合保护USB Type-C连接器的VBUS引脚。SurgeSwitch不使用传统的PN结TVS二极管进行保护，而是使用额定浪涌FET作为主要保护元件，用作压控开关。该电路在保护USB接口免受ESD和EOS事件影响方面具有显著优势。
这里值得一提的一个优势是在额定峰值脉冲电流范围内几乎恒定的钳位电压（图 5）。钳位电压在工作温度范围内也保持稳定。另一个显著优势是TDS2211P的钳位电压至少比传统TVS ESD保护器件低30%（图6）。
TDS2211P的工作电压为22V，可在ESD和浪涌事件期间保护USB-PD控制器。它具有25V的最小击穿电压和40A的峰值脉冲电流 (tp=8/20us)。TDS2211P提供符合IEC 61000-4-2 (ESD) 规范的±30kV（空气）、±30kV（接触）瞬态保护。该芯片采用DFN封装，标称尺寸为1.6 x 1.6 x 0.55 mm。
图 5. TDS2211P中的Ipp与vClamp
3）D+/D-差分线
D+/D-线用于USB 2.0接口。D+和 D-引脚承载差分480Mbps数据信号，这些差分线上的电压在正常工作条件下可以达到5V。可以使用Semtech的RClamp4041ZA保护D+/D-线（图 7）。RClamp4041ZA是一个4V TVS二极管。它在微型0201 (0.6 x 0.3 x 0.25mm) 封装中提供0.53pF的低典型结电容、0.07Ω的低动态电阻和高达20A的峰值脉冲电流 (tp=8x20us)。
4）CC、SBU和VCONN引脚
USB Type-C的配置通道 (CC) 引脚在USB4协议中发挥着重要作用。CC引脚允许USB Type-C作为双重电源端口工作，以建立和管理两个连接端口之间的源和接收器连接。
插座中有两个CC引脚，插头中有一个CC引脚，用于检测插头方向并建立USB4数据总线通信。另一个未使用的CC引脚用作USB Type-C电子标记电缆 (EMC) 的 VCONN引脚。EEMC需要一个VCONN引脚来为电缆内的标记电子设备供电（5V、1W）。如果电缆没有电子标记，则电缆内部没有电子设备，也不需要 VCONN引脚来供电。在这种情况下，VCONN引脚保持浮动在USB Type-C插头上。
USB Type-C中有两个边带使用 (SBU) 引脚。SBU是DisplayPort和其他数据信号在Alt模式下工作的辅助通道。在USB4协议中，它们被称为SBTX和SBRX。SBTX是USB4控制器的串行发送信号，SBRX是USB4控制器的串行接收信号。SBTX/SBRX在USB4中用于主机器件和外设之间进行通信、初始化数据线、交换器件管理信息、控制数据等。通过SBTX/SBRX使用速度为1Mbps的UART信号。
参考图2中的引脚配置，我们可以看到CC/VCONN和SBU引脚紧挨着VBUS引脚。使用USB-PD的话，VBUS引脚电压可以达到20V。因此，如果发生短路，CC/VCONN引脚和SBU引脚将暴露于20V电压，可能会损坏系统。
Semtech的双向TVS二极管µClamp®2011ZA是保护CC/VCONN和SBU引脚的完美解决方案（图7）。根据IEC 61000-4-2标准，µClamp2011ZA能够承受±30kV（空气）和±22kV（接触）电压范围内的高ESD，并保持20V的工作电压。0.46Ω的低动态电阻和22V的最小反向击穿电压确保了针对瞬态事件的系统级保护。其典型结电容仅为10pF。µClamp2011ZA采用的是行业标准的超小型0201 (0.6 x 0.3 x 0.25mm) 封装。
图 7. USB4通过Type-C端口的ESD 防护
简化实施
Semtech的电路保护品牌Shield为客户精心提供了一套优化后的解决方案，可应用于各种各样的接口和子系统。USB Shield套件是一种有效的设计工具，可加快USB接口设计方案的实施。
结语
通过USB Type-C连接器实现的USB4已成为主导接口，能以40Gbps的超高速率传输数据，支持DisplayPort 2.0，并使用USB-PD模式双向传输高达100W的功率。虽然升级后的USB标准提高了数据传输速率，并具有出色的视频质量以及更高分辨率，但USB Type-C端口暴露在高达数万伏的频繁ESD冲击下，很容易损坏USB4收发器敏感的CMOS结构。因此，必须充分保护USB Type-C端口免受所有ESD威胁。USB4规范也带来了一些独特的ESD和EOS挑战。
Semtech高效且值得信赖的电路保护产品，如本文图7所示，为世界上许多最流行的带有USB4接口的电子设备提供保护。任何用户都不希望电子设备因为任何瞬态事件而损坏。Semtech的解决方案非常适合保护符合USB4规范的USB Type-C连接器，可确保消费者在使用高性能电子设备时享受到稳定、流畅的体验。
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