USB端口的ESD防護電路設計

攻城獅華哥

USB作為一種非常普及的接口，在各種電子終端設備上都有使用。作為硬件設計中的重點考慮項，ESD防護設計顯得尤為重要，然而，在實際電路中，我們經常可以看到各種不同的防護設計方案，有些方案甚至彼此相反；在實際的ESD測試中，也會出現支持不同方案的各種結果。

針對USB端口的防護設計，最好這樣來分開討論：線路防護和殼體防護（有些非專業的同志喜歡籠統來看待，這樣不利于正確地解決ESD問題）。實際上我們實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直接受到ESD能量的干擾；二是USB信號線本身有比較好的抗ESD特性，加上輔助的TVS等防護器件，使得信號線受擾的幾率降到很低。

基于以上兩點，我們先著重分析一下USB外殼的防護，再分析信號的本身的防護設計。

一、USB外殼的防護

首先，前面已經提到，所有的USB設備接口均為金屬外殼，所以按照ESD測試標準，一般我們采用接觸放電的方式，當然，也存在某些接口金屬過于內縮，影響直接接觸，這時則必須采用空氣放電的方式，有時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：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。

在實際的案例中，由于產品的形態各異，ESD的回流路徑也會有很大不同，有些產品往往會有多個ESD回流的路徑，上圖中，ESD能量通過USB的金屬殼體到達主板內部，然后大概會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絡變壓器，瀉放到輔助設備上，再間接瀉放到地。

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

下面拿一個典型產品來介紹，如下圖：

該產品一般的配置如上圖中描述，那么，當USB金屬外殼引入ESD時，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。需要考慮的參數有：USB接口到電源接頭的地的連續性；電源適配器線纜阻抗（一般很小，可以忽略不計）；電源適配器的對地電容大小（這個參數很關鍵）。

2）通過PCB本身與地之間的體電容瀉放。需要考慮的參數有：PCB的層數，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）通過高壓電容和網絡變壓器瀉放。需要考慮的參數有：距離靜電放電點的遠近；高壓電容本身的阻抗；輔助設備的接地阻抗等。

本案例中，電源適配器線纜的對地阻抗相對而言是最低的，因此大部分ESD能量會通過此路徑瀉放。其次是選擇通過網線放電到電腦主機的方式，當然此時要考慮電腦主機本身是否接地良好，而且我們也不希望以這種與鄰為壑的放電方式放電，它可能導致周邊設備的損壞。而利用本身的體電容放電，對于接地設備而言一般影響在高頻段范圍內，能量比較弱。但對于完全浮地的設備則能起到至關重要的作用。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，即想方設法讓靜電能量通過電源適配器回路到地。

下面給出了一個典型的USB端口電路圖和layout示意圖：

USD接口防護原理圖

USB接口PCB圖

整改實驗過程很復雜，歸納如下：

實驗步驟	整改方案	實驗結果
1	原型機測試	空氣放電8kV偶爾掉線，9kV以上頻繁掉線。
2	去掉磁珠或將磁珠放到PCB的背面	結果無變化
3	在此基礎上去掉高壓電容	空氣放電8kV正常，9kV/10kV以上掉線。
4	去掉USB的防護器件	結果無變化
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。

由以上實驗，可以分析得出以下結論：

第一，通過體電容放電的方式對此產品無明顯改善，估計這是因為存在更低回流的路徑，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防護性能，保護內部電路。

接下來要研究的是ESD敏感點的排查。通常情況下，不同的產品，排查的難易度有很大區別。越復雜的PCB，排查起來越困難，具體方法在這里就不一一贅述了。僅列出幾條防護設計要點出來，如下：

• 關鍵信號線，敏感線等盡量遠離ESD測試點走線，推薦在關鍵信號的芯片端加上去耦電容。
• 關鍵信號線一般為復位，中斷，控制線，在layout時要求靠近地或電源，并盡量走短線。
• 很多情況下，ESD問題是由于浮地設備的地電位變化引起的，因此，在ESD敏感區域，應當注意電源和地的去耦設計，以防止ESD引起地和電源的電位變化。
  

綜上實驗分析，對于不同類型的產品，USB外殼的防護設計不盡相同，但是，我們仍然可以歸納出一些通用的經驗：

• 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；
• 金屬外殼地最好經由PCB的bottom層回流，因為一般的敏感器件在PCB的正面放置。
  

二、USB端口信號線的防護設計

眾所周知，USB由四根信號線組成：5V的電源線，Data+，Data-，地線，下面給出了幾個簡單的防護電路設計圖：

關注要點：

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

2）對于一般數據線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，可將此處的防護器件去掉，或改為低成本的壓敏電阻。

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

三、USB端口電源的設計要求

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

案例問題說明：一個無線網關產品，通過USB接口外接數據卡設備，當采用USB1.1的數據卡時，連接沒有問題；而換用USB2.0的高速數據卡時，則會出現找不到USB設備或者無法上網的問題，采用外接的5V電源供電，則不會出現此問題。另外，若在信號線D+，D-上加共模電感，問題也不會出現。

原因分析：由實驗可知，干擾源在于USB的5V電源，電源的不干凈影響到了USB數據線，使得設備掉線。

接下來分析USB電路,首先列出USB端口電源的設計方案圖，如下：

該電路中，12V輸入電源通過DC/DC轉換成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，可以發現，DC/DC輸出后，經過電感和電容整流，但輸出電容和輸入電容相隔比較遠，中間又有電感挖空的區域，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。

實驗證明，該方案可以解決USB2.0設備掉線的問題，在今后的設計中，我們需要特別注意USB端口電源的濾波問題，必須讓USB設備提供一個比較純凈的電源。