【技术大神】USB3.1 TYPE-C端口的防护策略

时间： 2019-09-02 来源：技术大神活动文章

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目前电路中速率越来越高，要求系统可靠性也越来越高。电路设计中对于高速率设计处理不好，很容易造成设备各种故障，故电磁兼容设计非常重要。USB3.1 TYPEC实现人机交互功能，在工控机里面非常重要，故高速信号防护特别需要关注。

在笔者参与设计的一款工业应用的工控机中，CPU需外带两个USB3.1 Type-C端口，实现人机交互功能，可以外挂硬盘，挂显示屏等。由于USB3.1 Type-C可以实现一口多用，所以得到广泛的应用，如下图1所示。

图1：USB3.1 TYPEC一口多用

工控机一般应用在比较恶劣的环境下，在研发过程中需要做很多的测试，例如静电放电和快速脉冲群测试。我们在研发这款工控机的时候，做上述的测试出现显示不正常、数据中断的情况。在检查电路设计时，也改用A家的静电放电器件，但是上述问题依然未能得到解决。这个问题也折腾了一段时间，后面找了世强的技术咨询，推荐使用其代理的LITTELFUSE型号为SP3022的TVS阵列。参看了SP3022 TVS二极管阵列的数据手册，发现其具有0201尺寸的封装，国内厂家能够做到的最小也就是0402封装，小的尺寸对于布线有很大的好处。能够抵御20KV的ESD和40A（5/50ns）的EFT干扰，具有极低的节电容，低至0.35pF，是USB3.1 Type-C极好的解决方案。

于是我们决定采用该TVS改版PCB版，在原先板子更换重新做了实验，效果得到明显改善，显示数据中断和花屏的情况基本改善。由于国产A厂家和SP3022的尺寸不一致，对PCB进行了重新的改板，并在线路中串了共模电感，来用来改善EMI设计，详细的电路设计如图2所示。经过重新的改版设计后，重新做了实验，效果得到明显改善，显示数据中断和花屏的情况基本改善，彻底解决了上述的技术问题，能够顺利通过工业四级的EMC要求。

图2：USB3.1 TYPEC电路设计

TVS选取的结电容与信号的频率有一定的关系，在高速电路设计要注意TVS的选型，选型不当会导致信号质量下降，信号保护不好，速率与TVS节电容比照表，如图3所示。

表1：速率与节电容比照表

如下是采用Littelfuse的SP3022器件后，测量USB3.1 Type-C在10Gbit/s下的眼图，测试效果很好，对信号质量没有影响，图4为加TVS后USB3.1 Type-C在10Gbit/s下的眼图。

图3：加TVS后USB3.1 Type-C在10Gbit/s下的眼图

综上总结，工程师在TVS选型时应该注意：
1）可以找世强或Littelfuse原厂工程师根据你的电压、速率和接口要求，选取合适的电压、结电容、封装的TVS管。这样可以大大节约工程师的时间，提高效率，提高产品检测的成功率。

2）在PCB布线时需要注意的是，对于高速信号需要走内层，需要有完整的参考平面，TVS接到高速信号线上需要走线短，接地的线也要尽量短，最好参考芯片的PCB设计规则。如果走线不好，可能导致信号质量变差，TVS的效果变差。

3）Littelfuse能够提高各种封装、结电容及防护等级的保护器件产品，能够让客户有更多的选择，产品远优于同级别的其他产品，能够有效的对电路的高速接口提供静电、浪涌和快速脉冲群的防护。

作者：drwyh

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Littelfuse SP3022系列瞬态抑制二极管阵列数据手册详情>>>

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全部评论（3）

海绵宝宝 Lv7. 资深专家 2017-11-13

USB3.1 TYPE-C端口使用的越来越普及了
大欢哥 Lv7. 资深专家 2017-07-19

涨见识了
莺莺 Lv7. 资深专家 2017-06-23

写的很好

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