AT32講堂014 | AT32 MCU USB接口ESD防護(hù)設(shè)計(jì)指南

概述

USB接口的可熱插拔特性會(huì)容易受靜電損壞器件，造成死機(jī)、燒板、掉線等。在USB接口上設(shè)計(jì)ESD保護(hù)是必要的，USB ESD設(shè)計(jì)需要滿足JS-001-2017（HBM）和IEC61000-4-2兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。HBM要求設(shè)備USB接口能夠承受高達(dá)2 kV的放電，圖1和表1為JS-001-2017標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試波形和等級(jí)分類(lèi)。圖2和表2為IEC61000-4-2標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試波形和等級(jí)分類(lèi)。圖1. JS-001-2017標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試波形

表1. JS-001-2017標(biāo)準(zhǔn)等級(jí)分類(lèi)

圖2. IEC61000-4-2標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試波形

表2. IEC61000-4-2標(biāo)準(zhǔn)等級(jí)分類(lèi)

ESD保護(hù)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

在USB接口設(shè)計(jì)時(shí)建議加入ESD保護(hù)器件并加入VBUS偵測(cè)電路檢測(cè)過(guò)壓。設(shè)計(jì)要點(diǎn)列出如下：

• ESD保護(hù)器件應(yīng)盡量靠近USB插座接口放置（ESD進(jìn)入點(diǎn)）
• VBUS、USB數(shù)據(jù)線（USB_D+/USB_D-）、ID（若為OTG）都要進(jìn)行ESD保護(hù)

圖3. USB ESD保護(hù)電路

• VBUS的走線盡量遠(yuǎn)離D+/D-
• USB插座金屬殼要與設(shè)備外殼地可靠連接
• 設(shè)備不需要VBUS提供電源時(shí)，可通過(guò)電阻分壓后連接于AT32的非5 V耐壓的一般GPIO，或直接連接于5 V耐壓的GPIO，作為VBUS偵測(cè)信號(hào)

圖4. VBUS偵測(cè)電路

ESD保護(hù)器件的選擇

USBFS的傳輸速率達(dá)到12 Mbps，一般選用TVS陣列管來(lái)實(shí)現(xiàn)ESD防護(hù)。當(dāng)ESD事件到來(lái)時(shí)，TVS中的二極管會(huì)正向?qū)?，使得瞬態(tài)電流繞過(guò)敏感的CMOS器件，將瞬態(tài)高壓降低到鉗位電壓值，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)接口電路的保護(hù)。

鉗位電壓

在ESD事件到來(lái)時(shí)，保護(hù)器件對(duì)高壓脈沖鉗制到鉗位電壓，并且分流大部分脈沖電流到地，以保護(hù)后端敏感器件。但是，仍然會(huì)有殘余電流流入受保護(hù)器件，ESD事件期間的峰值電流是通過(guò)ESD保 護(hù)器件的分流電流與流入受保護(hù)器件的殘余電流之和。受保護(hù)器件承受的功率取決于ESD保護(hù)器件的鉗位電壓和流入的殘余電流。

鉗位電壓可用以下公式計(jì)算：

鉗位電壓（VCL）=VBR+Io（殘余電流）x Ro（受保護(hù)器件電阻）

在選擇ESD保護(hù)器件鉗位電壓時(shí)，設(shè)計(jì)人員必需了解使用何種測(cè)試設(shè)置來(lái)確定數(shù)值。根據(jù)IEC61000-4-2 Level 4標(biāo)準(zhǔn)，ESD脈沖具有少于1 ns的上升時(shí)間和小于100 ns的持續(xù)時(shí)間，以及30 A峰值電流。具有5 V鉗位電壓的ESD保護(hù)二極管可能在實(shí)際的ESD測(cè)試中出現(xiàn)超過(guò)30 V的鉗位電壓。如果不了解這一點(diǎn)，設(shè)計(jì)人員可能會(huì)僅僅根據(jù)數(shù)據(jù)表中最低鉗位電壓來(lái)選擇ESD保護(hù)器件。

信號(hào)完整性

在數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中要求確保接收器達(dá)到一定的信號(hào)完整性水平，信號(hào)的上升、下降時(shí)間是由整個(gè)傳輸路徑阻抗來(lái)限制的，并且結(jié)合了接口的所有寄生電容。這些寄生電容可能由不匹配的PCB線路、USB插座引腳或其它并聯(lián)電容引起，因此要求ESD保護(hù)器件的電容必須小，并且也要能提供足夠的ESD防護(hù)能力。

關(guān)于雅特力雅特力科技于2016年成立，是一家致力于推動(dòng)全球市場(chǎng)32位微控制器(MCU)創(chuàng)新趨勢(shì)的芯片設(shè)計(jì)公司，專(zhuān)注于ARM Cortex-M4/M0+的32位微控制器研發(fā)與創(chuàng)新，全系列采用55nm先進(jìn)工藝及ARM Cortex-M4高效能或M0+低功耗內(nèi)核，締造M4業(yè)界最高主頻288MHz運(yùn)算效能，并支持工業(yè)級(jí)別芯片工作溫度范圍（-40°~105°）。雅特力目前已累積相當(dāng)多元的終端產(chǎn)品成功案例：如微型打印機(jī)、掃地機(jī)、光流無(wú)人機(jī)、熱成像儀、激光雷達(dá)、工業(yè)縫紉機(jī)、伺服驅(qū)控、電競(jìng)周邊市場(chǎng)、斷路器、ADAS、T-BOX、數(shù)字電源、電動(dòng)工具等終端設(shè)備應(yīng)用，廣泛地覆蓋5G、物聯(lián)網(wǎng)、消費(fèi)、商務(wù)及工控等領(lǐng)域。