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實例講解:如何做好USB保護電路的EMC設計

發布時間:2013-09-17 責任編輯:eliane

【導讀】如何降低電磁干擾以及靜電放電是USB設計的關鍵,隨著傳輸速率的增大,USB信號的傳輸變的越來越有挑戰性,因此,本文將以USB3.0為例,介紹一種體積小、成本低且實用性強的USB保護電路的EMC設計解決方案。

USB是一個外部總線標準,用于規范電腦與外部設備的連接和通訊。USB接口支持設備的即插即用和熱插拔功能。USB信號傳輸電纜通常是雙絞屏蔽線,其內部包含3對USB信號線和1對電源線,在傳輸通道上的輸入電壓值為4.07-5.25V,傳輸的最大電流約為900mA.USB接口的傳輸速率很高,像USB2.0最大的傳輸速率為480Mbit/s,USB3.0的傳輸速率更是10倍USB2.0的傳輸速率。并且USB3.0已經漸漸投入市場,必將是未來發展的趨勢。但隨著傳輸速率的增大如何提高USB信號的傳輸質量,減小電磁干擾EMI和靜電放電ESD成為USB設計的關鍵。現以USB3.0為例,從保護電路設計方面對此進行分析。

減小電磁干擾EMI:當USB接口中帶有電源信號,對電源信號需要進行濾波處理。電源線上串聯一個300Ω/2A磁珠,并在電源線上的磁珠兩端并聯電容,電容的取值一般在0,01uF到0,1uF之間。USB差分線對上串聯一個共模扼流圈。對于共模扼流圈(共模電感)的選擇,應主要考慮共模扼流圈的差摸寄生電感對高速USB信號的影響。如果寄生差摸電感太大,就會對USB信號產生衰減,影響USB接口的工作性能。

以上這些措施可以有效的減少電磁干擾EMI但對靜電的防護效果就差了很多,由于USB接口具有可熱插拔性,USB接口很容易因人為因素而導致靜電損壞器件,比如死機、復位等,更嚴重的會燒壞板子。因此,使用USB接口的用戶迫切要求加入防ESD的保護器件。現將這方面的經驗與工程師朋友們分享:對于接地設備,USB的ESD保護電路原理如圖1,ESD保護器件分別并聯在電路中的USB數據線、電源線、工作地線和大地或金屬外殼(屏蔽層)之間。對于不接地設備,USB的ESD保護電路原理如圖2,ESD保護器件則分別并聯在電路中的USB數據線、電源線和磁珠之前的工作地GND之間,并將USB電纜屏蔽層與GND通過Y電容相連或者直接相連。
USB保護電路的EMC設計方案
圖1:接地設備USB的ESD保護電路原理

USB保護電路的EMC設計
圖2:不接地設備USB的ESD保護電路原理

差分線對因數據傳送速度高達4.8Gbps,則需要連接寄生電容非常小的器件,TUSD05H4U靜電保護器其動作電壓為7V,反應速度快,鉗位電壓精確,結電容小于1PF,較大電容的保護器件可導致數據信號波形惡化甚至出現位錯誤。測試結果顯示,寄生線電容高于1.2PF的ESD保護器件可能會在高速數據傳輸時產生很大的信號干擾,導致USB3.0 無法正常讀取數據。對于USB2.0接口,寄生電容為5PF都不會影響信號傳輸。

該方案所占體積小、成本低對靜電放電ESD及電磁干擾EMI的防護效果很好,實用性強。

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