原创 USB端口的ESD防护电路设计

 2023-1-10 18:05  1205 11 11 分类: PCB

USB作为一种非常普及的接口，在各种电子终端设备上都有使用。作为硬件设计中的重点考虑项，ESD防护设计显得尤为重要，然而，在实际电路中，我们经常可以看到各种不同的防护设计方案，有些方案甚至彼此相反；在实际的ESD测试中，也会出现支持不同方案的各种结果。

针对USB端口的防护设计，最好这样来分开讨论：线路防护和壳体防护（有些非专业的同志喜欢笼统来看待，这样不利于正确地解决ESD问题）。实际上我们实际中碰到的绝大部分ESD问题都是外壳受扰所引起的，原因有二：一是USB接口采用了金属外壳，所以接口线路一般不会直接受到ESD能量的干扰；二是USB信号线本身有比较好的抗ESD特性，加上辅助的TVS等防护器件，使得信号线受扰的几率降到很低。

基于以上两点，我们先着重分析一下USB外壳的防护，再分析信号的本身的防护设计。

一、USB外壳的防护

首先，前面已经提到，所有的USB设备接口均为金属外壳，所以按照ESD测试标准，一般我们采用接触放电的方式，当然，也存在某些接口金属过于内缩，影响直接接触，这时则必须采用空气放电的方式，有时候放电方式的选择很重要。

接下来，我们需要熟悉一下ESD放电的回流路径，如下图：

在这里，顺便解释一下，同EMI分析一样，ESD问题也必须了解两点：一是搞清ESD能量的最小阻抗路径或主要路径；二是找出真正的ESD敏感点。

在实际的案例中，由于产品的形态各异，ESD的回流路径也会有很大不同，有些产品往往会有多个ESD回流的路径，上图中，ESD能量通过USB的金属壳体到达主板内部，然后大概会通过三种不同的通道来泻放，一是通过电源线泻放到地；二是通过体电容泻放到参考平面的地；三是通过高压电容和网络变压器，泻放到辅助设备上，再间接泻放到地。

那么，针对不同的泻放路径，作为设计者，我们可以做的就是控制各条路径的阻抗，让能量沿着远离ESD敏感点的低阻抗路径回到大地，这就是我们经常提到的两大手法：“堵”（增加阻抗）和“疏”（减小阻抗）。

下面拿一个典型产品来介绍，如下图：

该产品一般的配置如上图中描述，那么，当USB金属外壳引入ESD时，我们来具体分析一下各条泻放路径的阻抗：

1）沿电源线泻放。需要考虑的参数有：USB接口到电源接头的地的连续性；电源适配器线缆阻抗（一般很小，可以忽略不计）；电源适配器的对地电容大小（这个参数很关键）。

2）通过PCB本身与地之间的体电容泻放。需要考虑的参数有：PCB的层数，上下层之间的连接阻抗等；PCB的大小，摆放方式及离地高度（决定了体电容的大小）。

3）通过高压电容和网络变压器泻放。需要考虑的参数有：距离静电放电点的远近；高压电容本身的阻抗；辅助设备的接地阻抗等。

本案例中，电源适配器线缆的对地阻抗相对而言是最低的，因此大部分ESD能量会通过此路径泻放。其次是选择通过网线放电到电脑主机的方式，当然此时要考虑电脑主机本身是否接地良好，而且我们也不希望以这种与邻为壑的放电方式放电，它可能导致周边设备的损坏。而利用本身的体电容放电，对于接地设备而言一般影响在高频段范围内，能量比较弱。但对于完全浮地的设备则能起到至关重要的作用。综上所述，我们首先需要保证的是电源线部分的接地阻抗问题，即想方设法让静电能量通过电源适配器回路到地。

下面给出了一个典型的USB端口电路图和layout示意图：