【技术大神】小谈USB Type C接口的ESD保护方案

工程师对ESD重视过程
我们很多硬件工程师，在设计产品的时候，往往会把主要精力放在方案的选型，线路图的绘制，Layout的检查等方面，反而经常把ESD放在一个比较靠后的位置。本人最初从做消费类产品研发开始，到后来研发设计汽车和轨道类的产品，也经历了一个不重视ESD到特别重视ESD的过程。

如果我们研发的产品是一些价格比较低的，往往出于成本方面的考虑，通常会省略一些或者用一些相对较差的ESD器件。如此设计出来的产品在测试或者使用初期，也许不会有太多的问题，但是时间一长，出问题的几率就比较大。这些都跟ESD有一定的关系。

当我们接触到譬如DELL、联想等大客户的时候，他们对ESD的要求非常高，不光是Air Discharge 15KV、Contact discharge 8KV的测试要求，还有一些额外的要求，譬如在高温高湿下冲击15天，然后从房里拿出来开机打ESD。这种情况即使加了ESD防护器件，如果选择的产品质量欠佳，ESD器件本身打坏的情况也会出现，我本人也曾遇到过。此时，对ESD的重视性需有所加强。

如果我们从事工业、汽车、轨道交通等产品设计的时候，这类产品的设计寿命需长达30年，因此我们考虑的不单单是常温下ESD的需求，更需要考虑高温高湿，满足车规级别温度或者AEC-Q101等需求。如此一来，我们就需要非常重视ESD。

我想很多朋友也许会跟我一样，经历多了，就会特别看重ESD的设计。

ESD故障种类
我们简述下ESD故障的三种类型。
1）Soft Failures
静电放电电流可以改变器件内部逻辑状态，导致系统Latch up或者不可预知的行为，或造成数据损坏。这是暂时的状态，它可能会导致通信速度减慢，需要在锁定的情况下重启系统。

2）Latent Defects
一些器件或者线路可能因为ESD的冲击被损坏，造成其功能退化，虽然系统将继续工作，但是这种类型的缺陷是会过早失效。

3）Catastrophic failures
ESD直接损坏器件，导致其某个功能无法正常工作或者整个功能丧失。

从这三种状态来看，有的ESD设计不好，会严重影响产品品质。

USB3.1 Type C接口LITTELFUSE保护方案实列
下面分享一下一个工业级产品USB3.1 Type-C的设计，我使用Littelfuse SP0201B-ULC-01UTG（for信号保护）和SP0201B-ULC-01UTG（for电源保护）。本设计通过了Air discharge 15KV, contact Charge 8KV的测试，也通过了连续15天高温高湿冲击，然后继续打ESD的测试。如下是原理图：

图1：USB3.1 Type-C接口ESD保护方案原理图

过程设计就不作铺陈，仅就本次设计我总结的一些对于工业类产品选择ESD器件的原则和注意事项做重点介绍。

1）根据产品需求，选择满足IEC 61000-4-2 Level4原则的ESD器件。
附上标准规格和放电波形。

图2：标准规格和放电波形

2）当在考虑选择TVS还是压敏电阻作为ESD器件时，优先选先TVS。理由是TVS利用半导体的钳位原理，在经受瞬间高压时可立即将能量释放出去，它在多重应力下仍可以保持强大的性能，而压敏电阻是依靠物理吸收原理，每经过一次ESD事件，材料会受到损伤。同时TVS在ESD响应时间和钳制性能方面优于压敏电阻，具有更低的泄露和更长的使用寿命，附上TVS和压敏电阻钳位性能图：

图3：TVS和压敏电阻钳位性能图

作为全球排名第1的电路保护品牌Littelfuse，利用先进的制造工艺和强大的设计能力，其TVS产品目前具有业界最快的相应速度和最低的静态功耗，是我们ESD器件的最佳选择。

3）对于信号线ESD器件的选择，一定要选择合适的input capacitance器件，高电容抑制将引起信号失真,这点非常关键。本案例Type-C USB3.0信号ESD保护器件选择了Littelfuse SP0201B-ULC-01UTG，测试的眼图PASS。

图4：测试眼图

因为Littelfuse SP0201B-ULC-01UTG具有非常小的input capacitance, 从眼图可以看出，对USB3.0这种高速信号的影响非常小。

那么，我们来比较下Littelfuse SP0201B-ULC-01UTG与另外一家比较知名的ESD器件，发现Littelfuse在各方面的参数均具有很大的性能优势，请参考如下标示的参数。

表1：SP0201和其它ESD器件参数对比

4）选择合适的Reverse Standoff Voltage、Reverse Breakdown voltage和Champing voltage也很重要。确保ESD能够达到正常的安全保护范围。

譬如我设计的Type-C的20V电源输入pin的时候，选择了littelfuse SPHV24-01ETG-C，这是一个根据USD Type-C电压标准，量身定做的一款高性能TVS管。
 

表2：SPHV24参数

5）ESD Layout注意：
我们在ESD Layout的时候，尽量靠近I/O口，缩短ESD传播途径，适当增加ESD器件的接地面积。此案例选择了0201尺寸，比较容易layout。

6）Littelfuse除了丰富的discrete ESD TVS器件系列之外，还有针对各种高速信号的Array TVS，譬如USB3.0、ESATA、HDMI、EDP等。我们可以根据PCB的空间或者一些备料需求，选择适合自己设计的不同封装的器件。譬如下图实列Array TVS相对省空间，但是本人在其他信号ESD上需要选用discrete器件，所以本设计为了备料的方便，选择了discrete 0201器件。
 

总结
作为一名硬件设计开发人员，我们需要非常重视ESD设计。同时，我们设计ESD器件的时候，需要选择合适的产品型号。Littelfuse作为全球排名第1的电路保护品牌，其ESD产品种类齐全，在消费类，工业类，车规类均有性能优异的产品，如下是Littelfuse主要的产品线，大家可以参考下，其产品品质和性能都值得我们信赖。

1）Fuses and Holders（保险丝及保险丝支持件）
2）Positive Temperature Coefficient Devices (PTCs) （正温度系数器件）
3）Varistors（压敏电阻）
4）Gas Discharge Tubes (GDTs)（气体放电管）
5）PulseGuard ESDSuppressors（脉冲防护ESD抑制器）
6）TVS Diodes（TVS管）
7）TVS Diode Array –SPA Diodes （TVS管阵列）
8）PLED Bypass Protectors（PLED旁路保护）
9）SIDACtor Protection Thyristors（SIDACtor保护晶闸管）
10）Switching Thyristors（晶闸管）

作者：Bati