USB端口的ESD防護(hù)電路設(shè)計(jì)

攻城獅華哥

USB作為一種非常普及的接口，在各種電子終端設(shè)備上都有使用。作為硬件設(shè)計(jì)中的重點(diǎn)考慮項(xiàng)，ESD防護(hù)設(shè)計(jì)顯得尤為重要，然而，在實(shí)際電路中，我們經(jīng)常可以看到各種不同的防護(hù)設(shè)計(jì)方案，有些方案甚至彼此相反；在實(shí)際的ESD測(cè)試中，也會(huì)出現(xiàn)支持不同方案的各種結(jié)果。

針對(duì)USB端口的防護(hù)設(shè)計(jì)，最好這樣來分開討論：線路防護(hù)和殼體防護(hù)（有些非專業(yè)的同志喜歡籠統(tǒng)來看待，這樣不利于正確地解決ESD問題）。實(shí)際上我們實(shí)際中碰到的絕大部分ESD問題都是外殼受擾所引起的，原因有二：一是USB接口采用了金屬外殼，所以接口線路一般不會(huì)直接受到ESD能量的干擾；二是USB信號(hào)線本身有比較好的抗ESD特性，加上輔助的TVS等防護(hù)器件，使得信號(hào)線受擾的幾率降到很低。

基于以上兩點(diǎn)，我們先著重分析一下USB外殼的防護(hù)，再分析信號(hào)的本身的防護(hù)設(shè)計(jì)。

一、USB外殼的防護(hù)

首先，前面已經(jīng)提到，所有的USB設(shè)備接口均為金屬外殼，所以按照ESD測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，一般我們采用接觸放電的方式，當(dāng)然，也存在某些接口金屬過于內(nèi)縮，影響直接接觸，這時(shí)則必須采用空氣放電的方式，有時(shí)候放電方式的選擇很重要。

接下來，我們需要熟悉一下ESD放電的回流路徑，如下圖：

在這里，順便解釋一下，同EMI分析一樣，ESD問題也必須了解兩點(diǎn)：一是搞清ESD能量的最小阻抗路徑或主要路徑；二是找出真正的ESD敏感點(diǎn)。

在實(shí)際的案例中，由于產(chǎn)品的形態(tài)各異，ESD的回流路徑也會(huì)有很大不同，有些產(chǎn)品往往會(huì)有多個(gè)ESD回流的路徑，上圖中，ESD能量通過USB的金屬殼體到達(dá)主板內(nèi)部，然后大概會(huì)通過三種不同的通道來瀉放，一是通過電源線瀉放到地；二是通過體電容瀉放到參考平面的地；三是通過高壓電容和網(wǎng)絡(luò)變壓器，瀉放到輔助設(shè)備上，再間接瀉放到地。

那么，針對(duì)不同的瀉放路徑，作為設(shè)計(jì)者，我們可以做的就是控制各條路徑的阻抗，讓能量沿著遠(yuǎn)離ESD敏感點(diǎn)的低阻抗路徑回到大地，這就是我們經(jīng)常提到的兩大手法：“堵”（增加阻抗）和“疏”（減小阻抗）。

下面拿一個(gè)典型產(chǎn)品來介紹，如下圖：

該產(chǎn)品一般的配置如上圖中描述，那么，當(dāng)USB金屬外殼引入ESD時(shí)，我們來具體分析一下各條瀉放路徑的阻抗：

1）沿電源線瀉放。需要考慮的參數(shù)有：USB接口到電源接頭的地的連續(xù)性；電源適配器線纜阻抗（一般很小，可以忽略不計(jì)）；電源適配器的對(duì)地電容大小（這個(gè)參數(shù)很關(guān)鍵）。

2）通過PCB本身與地之間的體電容瀉放。需要考慮的參數(shù)有：PCB的層數(shù)，上下層之間的連接阻抗等；PCB的大小，擺放方式及離地高度（決定了體電容的大小）。

3）通過高壓電容和網(wǎng)絡(luò)變壓器瀉放。需要考慮的參數(shù)有：距離靜電放電點(diǎn)的遠(yuǎn)近；高壓電容本身的阻抗；輔助設(shè)備的接地阻抗等。

本案例中，電源適配器線纜的對(duì)地阻抗相對(duì)而言是最低的，因此大部分ESD能量會(huì)通過此路徑瀉放。其次是選擇通過網(wǎng)線放電到電腦主機(jī)的方式，當(dāng)然此時(shí)要考慮電腦主機(jī)本身是否接地良好，而且我們也不希望以這種與鄰為壑的放電方式放電，它可能導(dǎo)致周邊設(shè)備的損壞。而利用本身的體電容放電，對(duì)于接地設(shè)備而言一般影響在高頻段范圍內(nèi)，能量比較弱。但對(duì)于完全浮地的設(shè)備則能起到至關(guān)重要的作用。綜上所述，我們首先需要保證的是電源線部分的接地阻抗問題，即想方設(shè)法讓靜電能量通過電源適配器回路到地。

下面給出了一個(gè)典型的USB端口電路圖和layout示意圖：

USD接口防護(hù)原理圖

USB接口PCB圖

整改實(shí)驗(yàn)過程很復(fù)雜，歸納如下：

實(shí)驗(yàn)步驟	整改方案	實(shí)驗(yàn)結(jié)果
1	原型機(jī)測(cè)試	空氣放電8kV偶爾掉線，9kV以上頻繁掉線。
2	去掉磁珠或?qū)⒋胖榉诺絇CB的背面	結(jié)果無變化
3	在此基礎(chǔ)上去掉高壓電容	空氣放電8kV正常，9kV/10kV以上掉線。
4	去掉USB的防護(hù)器件	結(jié)果無變化
5	將高壓電容就近跨接在USB外殼和電源端口的地之間	結(jié)果無改善
6	去掉高壓電容，并將USB的外殼地直接連到電源入口的地上	空氣放電12kV以下沒有問題。

由以上實(shí)驗(yàn)，可以分析得出以下結(jié)論：

第一，通過體電容放電的方式對(duì)此產(chǎn)品無明顯改善，估計(jì)這是因?yàn)榇嬖诟�低回流的路徑，使得體電容的影響變得非常小；第二，通過改變ESD的流向，使得大部分靜電通過就近的電源端口到地，可以極大地改善ESD防護(hù)性能，保護(hù)內(nèi)部電路。

接下來要研究的是ESD敏感點(diǎn)的排查。通常情況下，不同的產(chǎn)品，排查的難易度有很大區(qū)別。越復(fù)雜的PCB，排查起來越困難，具體方法在這里就不一一贅述了。僅列出幾條防護(hù)設(shè)計(jì)要點(diǎn)出來，如下：

• 關(guān)鍵信號(hào)線，敏感線等盡量遠(yuǎn)離ESD測(cè)試點(diǎn)走線，推薦在關(guān)鍵信號(hào)的芯片端加上去耦電容。
• 關(guān)鍵信號(hào)線一般為復(fù)位，中斷，控制線，在layout時(shí)要求靠近地或電源，并盡量走短線。
• 很多情況下，ESD問題是由于浮地設(shè)備的地電位變化引起的，因此，在ESD敏感區(qū)域，應(yīng)當(dāng)注意電源和地的去耦設(shè)計(jì)，以防止ESD引起地和電源的電位變化。
  

綜上實(shí)驗(yàn)分析，對(duì)于不同類型的產(chǎn)品，USB外殼的防護(hù)設(shè)計(jì)不盡相同，但是，我們?nèi)匀豢梢詺w納出一些通用的經(jīng)驗(yàn)：

• USB金屬外殼地采用低阻抗方式連接到可能的回路上（如電源的地），最好直接采用零歐姆電阻或磁珠相連，而不要采用1nF的高壓電容；
• 金屬外殼與主地之間采用隔離手段隔開；
• 金屬外殼地最好經(jīng)由PCB的bottom層回流，因?yàn)橐话愕拿舾衅骷�在PCB的正面放置。
  

二、USB端口信號(hào)線的防護(hù)設(shè)計(jì)

眾所周知，USB由四根信號(hào)線組成：5V的電源線，Data+，Data-，地線，下面給出了幾個(gè)簡(jiǎn)單的防護(hù)電路設(shè)計(jì)圖：

關(guān)注要點(diǎn)：

1）對(duì)于5V電源線的防護(hù)，無論有沒有防護(hù)器件，必須要在端口處加對(duì)地去耦電容，用于ESD的回流作用。

2）對(duì)于一般數(shù)據(jù)線D+，D-，直接遭受大能量ESD的可能性比較低，尖端放電可能起不到作用，而差模尖端放電則更無必要。若有cost down需求，可將此處的防護(hù)器件去掉，或改為低成本的壓敏電阻。

3）USB的信號(hào)地線，一定要保證直接接地，而不要采用其他隔離方式（事實(shí)上此地線基本上不起到ESD防護(hù)作用，只是EMI回流而已）。

三、USB端口電源的設(shè)計(jì)要求

USB接口有host和slave之分，大部分產(chǎn)品的USB為host類型，即外接USB設(shè)備，并供給5V的直流電源。在這種情況下，對(duì)輸出電源的純凈性提出了很高要求。以下典型案例進(jìn)行說明：

案例問題說明：一個(gè)無線網(wǎng)關(guān)產(chǎn)品，通過USB接口外接數(shù)據(jù)卡設(shè)備，當(dāng)采用USB1.1的數(shù)據(jù)卡時(shí)，連接沒有問題；而換用USB2.0的高速數(shù)據(jù)卡時(shí)，則會(huì)出現(xiàn)找不到USB設(shè)備或者無法上網(wǎng)的問題，采用外接的5V電源供電，則不會(huì)出現(xiàn)此問題。另外，若在信號(hào)線D+，D-上加共模電感，問題也不會(huì)出現(xiàn)。

原因分析：由實(shí)驗(yàn)可知，干擾源在于USB的5V電源，電源的不干凈影響到了USB數(shù)據(jù)線，使得設(shè)備掉線。

接下來分析USB電路,首先列出USB端口電源的設(shè)計(jì)方案圖，如下：

該電路中，12V輸入電源通過DC/DC轉(zhuǎn)換成5V電源后直接供給了USB端口，沒有采用磁珠隔離措施。

而在PCB layout圖中，可以發(fā)現(xiàn)，DC/DC輸出后，經(jīng)過電感和電容整流，但輸出電容和輸入電容相隔比較遠(yuǎn)，中間又有電感挖空的區(qū)域，使得回流路徑不太通暢。

解決方案：

① 在5V輸出端增加一個(gè)磁珠到USB電源端口，濾除USB端口5V電源的雜波。

② 采用人工飛線的方式把DC-DC的輸入電容和輸出電容的地連接起來，以減小回流路徑。

實(shí)驗(yàn)證明，該方案可以解決USB2.0設(shè)備掉線的問題，在今后的設(shè)計(jì)中，我們需要特別注意USB端口電源的濾波問題，必須讓USB設(shè)備提供一個(gè)比較純凈的電源。