USB3.0 电路EMC设计以及过压防护

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大家好，我是EE小新。

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随着集成电路的飞速发展以及人们对大容量数据，高传输速率的需求，通用串行总线（Universal Serial Bus）USB接口迎来另一次飞跃，全新的USB3.0规格在2008年底正式完成并公开发布。 USB3.0传输速率达到4.8Gbps，是USB2.0的10倍，同时最大供电电流达到1000mA，这对线路的 EMC和过压防护器件器件提出更高要求。

1. EMC设计

USB2.0采用高速差分信号线来传输数据，USB3.0在保留原有的差分信号线基础上新增两对并行的高速差分信号线，实现高速传输的目的。而超高的传输速率使EMI辐射更为严重，同时自身也更容易耦合共模噪音，因此对EMC设计和相关EMC器件提出更高要求。

图1. USB3.0 结构图

针对USB3.0, 需要在不同的线路添加相应的器件来达到降低EMI, 增强EMS的目的，推荐的设计方案如下：

图2. USB3.0 EMC设计

上述设计中分别在供电线路和地线上串联一颗磁珠，可以滤除设备内部耦合噪音，阻止噪音通过数据线向外辐射。差分线上采用共模扼流电感可以有效抑制共模噪音。

但是相比USB2.0，USB3.0最大供应电流达到1000mA，根据 USB 3.0标准，供电电压应该保持在5V +/- 5%的范围, 接口电压范围在4.45V～5.25V, 因此从USB电源到连接器压降一般不能超过0.3V，在磁珠上的压降一般不要超过0.1V, 考虑到最大1A的供给电流，磁珠直流电阻要小于0.1 欧姆，额定电流要大于1A。综合以上因素，可以选用顺络电子的UPZ1608E181-2R0TF, 直流阻抗标称值0.05欧姆，额定电流2A，可以很好满足要求。

在共模扼流器的选择上，USB3.0中兼容2.0的数据线的共模扼流器可以沿用USB2.0的器件： SDCW2012-2-900TF。原先适用于USB2.0的共模扼流器因为3.0传输速率的提升，不再适用于3.0，要求共模扼流器有更高的截至频率，更小的插入损耗。顺络电子根据USB3.0的高传输速率要求，专门开发出共模扼流器：SDCW-U系列，该系列具有极高的截至频率和非常小的插入损耗。图3是 SDCW2012U-2-900TF在USB3.0上应用的插入损耗测试，测试频率截止到7.5G，插入损耗为-2.61。

图3. 共模扼流器插入损耗测试

图4是SDCW2012U-2-900TF 在 USB3.0 上应用的特性阻抗测试结果，根据USB3.0 spec，连接特性阻抗应为90±15Ω,由图2可以看出测试结果很好的满足USB3.0规范。

图5是SDCW2012U-2-900TF在USB3.0上应用的眼图测试结果，测试结果表明共模扼流器可以很好的满足USB3.0超高速传输要求。

图5. 共模扼流器眼图测试

2. 过电压保护

USB 接口是最方便和常用的接口，也需要经常拔插以及和人体接触，经过芯片可以忍受 2KV 的 ESD过压，但与人体接触时可能产生8KV，甚至 15KV的瞬间ESD，这些可能对器件造成物理破坏，瞬态干扰等，因此需要专门的ESD防护器件对USB 接口进行保护。图6是采用压敏电阻进行ESD 防护的方案。 USB3.0 其中的超高速传输线要求保护器件有极低的电容量，一般需要0.5pF以下电容量。