USB 3.0接口電路的EMC和安全設計

2021-02-07 射頻百花潭

EMC 設計與接口設計緊密相關，很多產品的 EMC 指標都是由合理的接口電路方案實現。通過對USB 3.0 接口 EMC 和安規設計要求的詳細分析，從靜電防護、信號線 EMI 抑制、電源限流及穩壓濾波等方面提供了 USB 3.0 接口的 EMC 和安規設計全套解決方案。經試驗驗證，設計方案完全符合 CE 認證等對 USB 接口的 EMC 和安全要求。


USB（Universal Serial Bus）指「通用串行總線」。USB 接口是最普遍的通用外部數據接口之一，並已成為諸如可攜式電腦、臺式機、伺服器等所有計算系統的標配接口。


隨著集成電路的飛速發展以及人們對大容量數據、高傳輸速率的需求，全新的 USB 3.0 接口已得到廣泛應用。USB 3.0 傳輸速率達 5Gbps，是 USB 2.0 的 10 倍，同時最大供電電流達 1A，這對線路的 EMC 和安全設計提出了更高要求。



USB 3.0 接口採用高速差分信號傳輸方式，由於工作時信號高低電平的高速轉換，接地層和電源層會產生很大的高頻噪聲，因此要設法消除高速信號上的共模噪聲，保證信號的完整性。


用戶熱插撥 USB 外設時可能發生靜電放電（ESD），離導電錶面幾釐米以內的地方也可能發生空氣放電，這都可能損壞USB接口及晶片。另外USB接口中有5V供電電源，要對電源的能量進行有效的限制，防止電源故障造成人員傷害。


因此，USB接口電路設計的關鍵在於提高USB信號的傳輸質量、減小電磁幹擾和提高抗靜電幹擾能力、保障供電電源的安全。圖1為USB 3.0 接口電路的 EMC和安規系統設計方案。


圖1  USB 3.0接口電路的EMC和安規系統方案


2.1 靜電防護設計


根據產品國際CE認證遵循的電磁兼容指令2014/30/EU，對IT設備靜電放電抗擾度的測試要求是接觸放電±4kV、空氣放電±8kV ；對通信產品靜電放電抗擾度的測試要求是接觸放電±6kV、空氣放電±8kV。另外根據 IEC61000-4-2:2008《測試和試驗技術 - 靜電放電抗擾度測試》，除了特殊要求外，目前靜電放電測試等級最高的要求是接觸放電±8kV、空氣放電±15kV。

 靜電放電會造成瞬態過壓現象，電源總線和數據總線上都有可能出現。因此 USB接口防護電路應包括兩部分 ：信號的過壓防護和電源Vbus的過壓防護。對於高速數據信號，在數據線路上增加任何電容都可能造成信號波形失真，導致數據傳輸的中斷和 / 或故障。這就對USB 3.0 接口上使用的靜電放電防護器件提出了更高要求，既要能保護敏感電路，又不增加會導致信號質量降低的電容。


目前最常用的靜電放電防護器件是瞬變電壓吸收二極體TVS和鉗位二極體組合的防護模塊。下面推薦一種USB 3.0靜電放電防護設計方案，根據USB 3.0要兼容USB 2.0的特性，USB 3.0的靜電防護分為兩部分：Vbus和兼容USB 2.0的一對差分線（D+ 和 D-）共用一片四引腳TVS防護模塊（推薦選擇最小反向擊穿電壓6V，結電容小於1pF的防護器件）進行防護 ；新增的兩對差分線SSTX+/-和SSRX+/-共用一片六引腳TVS防護模塊（推薦選擇最小反向擊穿電壓4V，結電容小於0.5pF的防護器件）進行防護，如圖 2 所示。


圖2 USB 3.0接口電路靜電防護設計


在滿足靜電放電防護要求的前提下，防護器件可根據布局布線、成本和防護等級合理選型，不必局限於以上推薦器件。


2.2 信號線EMI抑制


在保留原有的一對USB 2.0差分信號線基礎上，USB 3.0新增兩對並行的高速差分信號線實現高速傳輸。超高的傳輸速率使信號線EMI輻射更為嚴重，同時自身也更容易產生共模噪聲，因此要抑制接口的EMI。


差分線上串接共模扼流電感可以有效抑制共模噪聲。USB 3.0接口中兼容 USB 2.0 數據線的共模扼流電感可以沿用USB 2.0的器件，比如Sunlord公司的 C2W2012FS900MST, 或 MURATA 公司的 DLW21SN900SQ2 等。新增的兩對差分線要求共模扼流電感有更高的截止頻率、更小的插入損耗。USB 3.0 接口電路的信號濾波方案如圖3所示。


圖3 USB 3.0接口電路的信號濾波方案

共模扼流電感是抑制共模幹擾信號的有效器件，市面上可供選擇的廠家、型號很多。可根據實際情況合理選擇。Vbus的EMI抑制通過電源的穩壓濾波實現。


2.3 電源穩壓濾波設計


USB電源Vbus採用LC濾波方式或 π 型濾波，如圖4所示。USB 3.0 電源系統向每個埠提供的最大電流達1A，供電電壓應該保持在5（1±0.05）V的範圍 ,即接口供電電壓4.75~5.25V, 因此從USB電源到USB連接器的壓降一般不能超過0.25V，L1磁珠（或電感）上的壓降一般不超過0.1V, 考慮到最大1A的供給電流，磁珠直流電阻要小於 0.1Ω，額定電流要大於1A。


圖 4 USB接口電路Vbus限流濾波電路


綜合考慮限流電路的通流能力和體積，選擇磁珠的額定電流 5A，最大直流阻抗 0.01Ω。大電容 C1 的主要作用為電源儲能穩壓，容值 100μF，額定電壓25V ；小電容 C2 的主要作用是濾波，容值為 0.1μF，額定電壓16V。電容可選擇普通的電解電容或陶瓷電容，電容的容值和個數根據情況靈活調整。


2.4 電源限流安全設計


USB 接口中的 Vbus 屬於受限制電源， 根據IEC 60950:2007《信息技術設備安全通用要求》或最新的 IEC 62368:2014《音視頻、信息和通信技術設備安全要求》，Vbus 的輸出要滿足標準中的輸出限流要求。USB 電源限流設計目前主要有兩種方案 ：在 Vbus 上串正溫度係數的熱敏電阻PTC，或採用專門的限流開關晶片。


電路正常工作時，PTC 溫度與室溫相近，電阻很小，串聯在電路中不會阻礙電流通過 ；而當電路因故障出現過電流時，PTC 由於發熱功率增加導致溫度上升至超過開關溫度時，電阻瞬間劇增，迴路中的電流迅速減小到安全值，如圖 4 所示。


限流開關晶片串接在電源與負載電路之間，由於採用了導通電阻為毫歐級的功率 MOSFET 作開關，引入的損耗極小。當負載電路有過負荷或短路情況發生時，限流開關晶片限制電流輸出，保證電路的安全。一個限流開關晶片能夠為一路或多路 USB 電源提供限流保護。


PTC 建議選擇最大保持電流 2A，直流阻抗越小越好（PTC 的直流阻抗一般幾毫歐左右）；限流晶片有多個廠家、型號可供選擇，建議選擇限流範圍 1~5A 的限流晶片。


PTC 限流電路簡單、成本低，但限流不準確，且受環境溫度的影響 ；限流晶片限流比較精準、動作迅速、不受環境溫度的影響，且一個晶片可同時提供多路 USB 的限流保護，但電路複雜，成本較高。


圖 1 中 USB 3.0 的 EMC 和安規設計方案已在多個產品上應用，測試驗證結果充分證明了其有效性。


3.1 靜電放電測試


USB 3.0 接口分別進行了帶負載和不帶負載兩種情況下的靜電標準測試驗證，以及非標的耐受性測試。為進一步驗證防護方案的有效性，又測試了去掉防護護器件後接口的靜電耐受能力。


測試結果表明：USB 3.0 接口無論帶負載（比如移動硬碟讀寫），還是不帶負載（接口不插外設），靜電放電防護方案都能滿足接觸放電 ±8kV、空氣放電 ±15kV的要求。


信號線的靜電耐受能力測試，是將 USB 3.0 接口的八根線（六根差分線、電源 Vbus 和 GND 各一根）通過線纜引出焊接到靜電測試板上，用靜電槍依次對每根信號線進行接觸放電測試，靜電測試等級由低到高進行 ；每根信號線測試後均去觀察 USB 3.0 埠業務功能是否正常，業務功能正常的才判斷通過測試，否則為不通過。


圖 2 方案防護下的 USB 3.0 接口靜電耐受性最高達 6kV。沒有任何防護的 USB 3.0 接口靜電耐受性最高1kV，靜電測試 1.5kV 時 USB 損壞。


3.2 接口輻射發射測試


測試了四個 USB 3.0 接口的輻射發射，埠帶移動硬碟，用測試工具對移動硬碟進行讀寫業務，具體情況如下 ：


（1）USB 3.0 帶 USB 2.0 移動硬碟


USB 3.0 用於 USB 2.0 的外設，與 USB 埠輻射相關的頻點主要是 480MHz。測試結果表明：只在 USB 3.0中兼容 USB 2.0 的一對差分線 D+/- 上加共模電感，可以滿足 EN 300386:2008《通信設備電磁兼容要求》或CISPR 22:2006《信息技術設備的無線電騷擾限值和測量方法》中ClassA 或 ClassB 的要求。D+/- 上加共模電感後，480MHz 的輻射可以降低 6~10dB。


（2）USB 3.0 帶 USB 3.0 移動硬碟


USB 3.0 用於 USB 3.0 的外設，與 USB 埠輻射相關的頻點主要是 5GHz。測試結果表明：在三對差分線上均加共模電感，5GHz 輻射降低 6dB 左右，滿足ClassA 或 ClassB 的要求。


（3）展頻技術


在滿足信號完整性的前提下，採用開展頻技術（目前越來越多的 CPU 和 IC 晶片支持開展頻技術），5GHz輻射的降低非常明顯，可降低 10dB 左右。如果系統開展頻，可只在兼容 USB 2.0 的一對差分線 D+/- 上加共模電感，用於抑制 480 MHz 的輻射，新增的兩對差分線可以不加。


USB 埠的電磁輻射，既與埠的原理方案設計有關，也與 PCB 的布局布線設計、結構設計及線纜等密切關聯，要根據產品特點和應用環境合理選擇 EMI 抑制方案。


3.3 接口限流電路測試


建議選取 PTC 最大保持電流 2A、最小動作電流4A、動作時間 1s@8A、直流阻抗 8mΩ。限流晶片採用限流範圍 1.1~1.9 A，限流響應時間 0.6 ms。按照IEC 60950:2007 或 IEC 62368:2014 中對受限制電源的測試要求，對 USB 3.0 接口電路中的電源 PTC 限流方案和限流晶片方案分別進行了測試，測試結果表明兩種方案都滿足標準要求。


為比對限流晶片和 PTC 限流的特點、差異及影響負載啟動的主要因素，又測試了兩種限流方案的帶載能力。USB 3.0 接口接一個電子負載，調整電子負載並觀察 USB 3.0 接口 Vbus 的電壓和電流變化情況。


設計超過 2 A 啟動限流，測試結果表明 ：PTC 限流方案、限流晶片分別在實測電流達到 5 A、2.2 A 左右啟動限流。可見 PTC 限流不準確，限流晶片比較精準、動作迅速，僅需幾微秒。


總之，限流晶片和 PTC 均可用於 USB 3.0 電源的限流，都能滿足相關安規標準的要求。測試中還發現 USB負載端電壓很受外設線纜質量（線纜的阻抗差異很大）的影響，使用大電流驅動外設時，應儘量選用短而粗（阻抗小）的線纜，減少線纜上的壓降，保證外設能正常工作。



USB 接口的 EMC 和安全設計可根據實際使用需求，對每一部分的設計進行靈活選擇和改動，以滿足經濟適用原則。


對靜電防護，USB 3.0 接口的三對差分信號線上和電源 Vbus 上均要設計靜電防護電路。


對輻射抑制，USB 3.0 接口兼容 USB 2.0 的一對差分線上加共模扼流電感，新增的兩對差分線，可根據實際需求確定是否加共模扼流電感 ；如果埠輻射只需滿足 Class A 要求，或系統採用了開展頻技術，可不加共模扼流電感 ；如果 USB 3.0 接口連接的是安保設備，比如外接攝像頭，USB 延長線較長，要加共模電感，等等。


Vbus 電源限流器件可根據用戶需求選用，如果用戶只使用滑鼠、鍵盤等低速小功率設備，就選用 1 A 的限流器件 ；若用戶使用高速大功率設備，比如光碟機、移動硬碟，或需要給其他設備提供電源等，則選 2 A 的限流器件。PTC 和限流晶片都可作為限流器件，前者限流精準、速度快，但價格貴 ；後者受環境溫度影響、動作慢，價格僅是限流晶片的十分之一。


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