電磁兼容保護設計之USB應用
發布時間:2016-01-25 責任編輯:susan
【導讀】端口對PCwaishedefazhanqidaolegemingxingdetuidongzuoyong,bingqiezhengbiandeyuelaiyueliuxing,biruzaicaijiceliangshujuhuozaijiqishanganzhuangruanjiangengxindengyingyongzhongjiufeichangchangjian。zuoweiyongyushujuchuanshudeyizhongzongxianxitong,zhiyaoyouyidongshebeilianzhededifangjiuyoutadeshenying。suiranzairichangshenghuozhongshiyongdelianjieqikanqilaifeichangjieshi,danUSB應用開發人員仍然必須重視這些接口的保護。
在Intel公司的“高速USB平台設計指南”中,甚至提高了考慮USB端口易感性因素的重要性。Intel建議用電流補償型扼流圈抑製EMI,再用其它元件防止靜電放電(ESD)。電子設備經常會遭受靜電放電。靜電放電脈衝電壓可能高達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”,但這種安全性隻是對一小部分潛在威脅來說是有保證的。日常操作表明:ewaibaohushibibukeshaode。zhiyoucaiquwaibubaohucuoshicainengkaifachuzhengkuaidianlubanbushoujingdianfangdianyingxiangyijigaodukekaodechanpinlai。zhuanmendeyizhicuoshitongyangyeshibixude。wuxianlianwangdedianzishebeirujinshibiandikaihua,tamendeshuliangzhengzaiyurijuzeng。
shizijidechanpinbushoufusheganraodeyingxiangfeichangzhongyao。zhiyoukaolvleyuqideganraoxingshi,cainengzaishejizhongjishijichengbiyaodeyizhiyuanjian,jinersuoduankaifazhouqi。womenzhidao,zishenchanpindefushexingganraoyebixuchuyumougedianpingzhixia。zhekeyitongguoEMC測試實驗室進行很精確的評估。如果產品沒有通過這種測試,那麼立馬返工的成本將超過抑製元件成本的好幾倍。
實際的抗幹擾能力
在提到幹擾對USB的影響時,差分模式數據傳輸與簡單的同軸電纜相比具有很大的優勢。在感性幹擾效應(磁場)qingkuangxia,daoxiandejiaohekeyimibuganraoxiaoying。jianyumeigenshuangjiaoxiandebufendiangandeduichengxing,ganraohuibiciyingxiangbuchangxiaoguo。zhezhongkangganraoxiaoguozaishijiyingyongzhonghuidadazhekou。
●USB控製器的輸入/輸出不是完全對稱的,因此USB信號顯示出共模幹擾。
●Layout與HF/EMC不兼容,寄生電容和缺少波阻匹配會產生共模幹擾。
●電路設計(USB濾波器)不充分,濾波器影響信號質量,和/或插損太低。
●接口設計(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量,輻射信號諧波,對外部幹擾源起不到足夠的屏蔽衰減。
問題:其中一些點可能不受影響,這些點包括外購USB控製器的技術性實現,或最終用戶使用“便宜的”USB電纜。因此必須采取一些預防性措施,防止接口受到可能損壞USB控製器的外部幹擾的影響,同時通過電纜限製信號的幹擾輻射量。
保護元件的選擇
靜電放電(ESD)保護的定義為:依照EN 61000-4-2標準防止ESD脈衝,依照EN 61000-4-5防止浪湧脈衝,以及依照EN 61000-4-4防止突發(EFT)脈衝。瞬態電壓抑製器(TVS)二極管必須滿足這些功能。重要的是:為了保護諸如USB等快速數據線受到過壓的破壞,應該使用具有低電容特性的TVS和陶瓷ESD抑製器,以免USB信號發生失真。基於這個原因,Würth Elektronik eiSos公司開發出了專門在這方麵作了優化的元件,並且在數據線上是不可見的。TVS二極管的電容值不到1pF,電容值最高0.2pF的陶瓷ESD抑製器是保護USB端口的理想選擇。
在選擇元件時需要問幾個問題:有沒有用於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抑製器。
進一步的問題:期望的最大ESD電壓是多少?應該保護一個還是兩個USB端口?有時一條USB數據線會連接到了TVS二極管的兩個I/O引腳,這將產生更好的保護效果,這也是為何優先使用TVS二極管陣列的原因。
不要忘了電源
對於一個端到端的EMC兼容設計而言,對電源(VBUS)進行濾波也很重要。許多開發人員忽視了這一點,卻不知道他們的產品為何通不過EMC實驗室的測試。這裏介紹了針對一個或兩個USB端口的兩種優化設計。兩條USB線可以用TVS二極管加以保護。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。進一步的優化可以通過用一個電流補償式數據線扼流圈和電容,搭建一個LC濾波器濾除輸入端的共模和差模幹擾來實現。在電源端使用WE-CBF係列貼片磁珠可以實現卓越的抑製性能(圖1)。

圖1:具有靜電放電保護功能的雙端口USB端口
單通道保護元件(如WE-VE係列靜電放電抑製器)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製器來保護電源,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,因此是設計的第一選擇(圖2)。

圖2:與屏蔽數據線不同,電源端不必使用小電容的靜電放電抑製器
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,再通過電流補償式數據線扼流圈連接到USB控製器。這樣能夠得到出色的靜電放電保護功能,並能良好的抑製數據線對。VBUS通過TVS二極管路由到貼片磁珠。在貼片磁珠之後,可以插入額外的電容和另一個貼片磁珠來實現最大可能的PI濾波器衰減。

圖3:USB端口保護
在非常敏感的IC和/或高可靠性開發案例中,通過兩次連接TVS二極管引腳可以實現最優的靜電放電保護效果(圖4)。

圖4:USB端口的雙重保護
希望采用單通道保護元件的開發人員可以使用WE-VE係列靜電放電抑製器。這些抑製器總是必須從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機製
小結
在EMC兼容設計中應避免風險。必須要指出的是,幹擾會威脅到數據通信的完整性——特別是對於通過USB實現的數據傳輸而言。EMC不是“可有可無”,或用來滿足什麼法規和標準,而是一種質量指標。為了盡可能在設計早期就徹底排除EMC問題,業界推出了專門針對快速數據線特殊狀態剪裁的元器件,它們不僅可以減少開發工作量,而且最重要的是可以避免關鍵的EMC測試結果之後的返工。
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