USB接口如何选择ESD保护器件

1 USB接口介绍

USB（Universal Serial Bus，通用串行总线）是计算机与外部设备连接的核心标准，自1996年推出以来，已成为全球最普及的接口技术。USB 接口的设计初衷是为了简化计算机与外部设备之间的连接，通过一个统一的接口标准来替代以往计算机上众多的串行和并行接口。

1996年首先推出USB 1.0，低速模式下速率为1.5 Mbps，可适用于键盘、鼠标，全速模式下速率为12 Mbps。Type-A口首次亮相，取代串口和并口。由于其速度仅能满足低速设备，早期普及率低，直至1998年USB 1.1修正协议后才被键鼠厂商采用。

2000年USB 2.0标准发布，高速模式下速率可达480 Mbps，首次支持高速存储设备。接口以Type-A为主，新增Type-B、Mini-USB和Micro-USB类型接口，手机充电口迎来统一，Micro-B成为安卓手机标配接口。

图1 USB 2.0接口引脚类型

表1 USB 2.0接口引脚配置

2008年USB 3.0标准正式发布，理论传输速率提升至 5 Gbps，是USB 2.0的10倍，且支持同时双向数据传输，解决了USB 2.0半双工的带宽瓶颈。接口从USB 2.0的4针增至9针，支持更多信号通道。

图2 USB 3.0接口引脚类型

表2 USB 3.0接口引脚配置

2013年USB 3.1标准发布，分为两代USB 3.1 Gen1和USB 3.1 Gen2两代。USB 3.1 Gen1即之前的USB 3.0，速度仍为5 Gbps； USB 3.1 Gen2：速度提升至 10 Gbps（SuperSpeed+），采用128b/132b编码技术，效率更高。首次引入Type-C接口，可支持正反插和Alternate Mode。

2017年USB 3.2标准发布，USB 3.0、USB 3.1的版本命名都将彻底消失，统一被划入USB 3.2的序列，三者分别再次改名叫做USB 3.2 Gen 1、USB 3.2 Gen 2、USB 3.2 Gen 2x2。USB 3.2 Gen2x2通过双通道传输实现 20 Gbps 速度， Type-C成为唯一指定接口，支持所有USB 3.2速度等级，并兼容USB4。

图3 USB Type-C引脚配置

表3 USB Type-C接口引脚配置

USB 4.0版本于 2019年发布，速率高达40 Gbps，融合英特尔雷电3技术，支持动态带宽分配（如优先保证4K视频画质，同时传输数据）。兼容USB 3.2、Thunderbolt 3、DisplayPort协议，一根Type-C线可同时供电、传数据、输出视频。2022年USB4 2.0将速度提升至80 Gbps，支持8K@120Hz视频输出，未来可能取代HDMI和DP接口。

2 USB接口保护器件选择

2.1如何选择器件截止电压

2.1.1 TX/RX

器件截止电压应大于被保护电路的最大工作电压，否则会影响被保护电路的正常工作。

以USB 3.0标准为例，TX/RX数据线采用差分信号传输，抗干扰能力强,其中差分电压和共模电压是两个关键参数，共同决定信号的质量和兼容性。

图4 来源于USB 3.0规范

根据USB 3.0 TX/RX的电平规范：

差分峰值电压 V_DIFFp−p=0.8V-1.2V

共模电压 V_CM=0V-2.2V

则单端电压为

V_P=V_CM+V_DIFFp−p/2

V_N=V_CM-V_DIFFp−p /2

则TX/RX的单端电压为0-2.8V，该端保护器件的工作电压应等于或者大于差分信号的最大电压，通常可选3.3V或5V。

图5 来源于USB 3.0规范

图6 来源于USB 3.0规范

USB 4.0标准下TX/RX的电压为如图7所示，该端保护器件的工作电压应等于或者大于差分信号的最大电压，通常可选3.3V或5V。

图7 来源于USB 4.0规范

由于差分信号采用交流耦合，信号的正负端会随数据传输动态反转极性，实际信号可能因噪声或瞬态干扰出现负压。在差分线上选择保护器件时，建议选用双向保护器件。

2.1.2 VBUS/D+/-

在USB差分信号，如D+/D-系统中，单端信号通常有两种逻辑电平状态：高电平和低电平。高电平状态下单端信号为2.8V~3.3V，低电平状态下单端信号为0V~0.3V，通常可选工作电压为5V的保护器件

图8 来源于USB 2.0规范

在USB 2.0规范中表明，VBUS引脚上的电压为5V±5%。因 USB 3.0及更高规范可向下兼容，在不带有 USB Power Delivery（PD）协议 的USB芯片上，其VBUS引脚上的电压为也同样遵循USB 2.0规范。

图9 来源于USB 2.0规范

图10 来源于USB 3.0规范

在带有 USB Power Delivery（PD）协议 的USB芯片设计中，VBUS引脚 的保护器件的工作电压需根据 PD协议支持的电压范围进行选择。

VBUS电压范围：PD协议支持多种电压输出，如5V、9V、15V、20V，甚至最高可达48V（PD3.1协议）。保护器件的耐压值应高于VBUS的最大工作电压，并留有一定的安全裕量，才能承受这些电压范围内的瞬态过压事件。例如，对于支持20V输出的PD协议，可以选择耐压值为24V或更高的保护器件；对于支持48V（EPR）输出的PD协议，可以选择耐压值为58V或更高的保护器件。

图11 USB充电标准发展史

2.1.3 CC and SBU

USB Type-C的CC（Configuration Channel）引脚通过电阻分压和协议通信实现设备连接与电源管理。在USB Type-C和PD系统中，Source端和Sink端是两种不同的角色，决定了设备的供电和数据传输行为。

Source端（源端）主要用于提供电源，发起供电能力通告，控制VBUS电压/电流，通常为数据主机（Host），如充电器、主机等，在CC引脚接上拉电阻Rp（56kΩ）。

图12 来源于USB Type-C规范

Sink端（受电端）主要用于消耗电源，发起供电请求，请求所需电压/电流，通常为数据设备（Device），如手机、外设等，接下拉电阻Rd。

图13 来源于USB Type-C规范

（1）CC引脚

CC引脚的连接检测、功率协商和数据通信的过程和原理如下：

①设备未连接时

Source 端：CC引脚无负载，Source端的CC引脚通过电阻 Rp拉至接近VBUS(5V)。CC 引脚通过 Rp 上拉至 5V（无负载时接近5V）。

Sink 端：CC 引脚悬空或Sink端的CC引脚通过电阻 Rd下拉至 GND（0V）。

②设备连接后

Source 通过检测电压是否在阈值范围内判断是否连接成功，通过检测哪根 CC 线有分压来判断插头方向。

图14 来源于USB Type-C规范

③电流能力协商（非PD模式）

当设备 不支持USB PD协议 时，Source端持续提供 5V VBUS，电流能力由Source端的 Rp阻值 直接决定（由图12可知）。Sink端通过检测CC引脚电压反推Rp值，从而获知Source的电流输出能力。

CC引脚电压的计算公式为：

④电流能力协商（PD模式）

当支持 USB PD 或 高速/高功率模式 的线缆（含E-Marker芯片）插入时，E-marker芯片会通过电压判断是否被激活以标识线缆能力。若检测到 CC引脚电压在E-Marker激活范围内， 则判定线缆含E-Marker，需触发 VCONN供电，通过另一根CC线输出 5V电压，为E-Marker供电。接着电压在高低电平之间跳变，形成BMC编码信号，PD 协议通过 CC 引脚传输数据，读取线缆能力（如5A电流、40Gbps速率等）。协商成功后，Source 调整 VBUS 电压。整个过程融合了电阻分压检测、电子标记识别和数字通信，是Type-C多功能性的核心机制。

（2）SBU引脚

SBU引脚在USB Type-C接口中主要用于辅助信号传输（如DisplayPort或HDMI模式下的AUX_P/AUX_N信号），默认情况下无固定供电电压，其电位由连接设备和信号协议决定。例如，在DisplayPort协议中，AUX通道的电压范围通常为1.0V至3.6V，但具体值取决于设备实现。

图15 来源于USB Type-C规范

综上所述，CC和SBU引脚在平常的使用中选用大于5V左右的器件就行。对于带有PD协议的芯片，VBUS 引脚电压可以达到 20V，由于CC/SBU 引脚紧挨着VBUS 引脚，如果发生短路，CC/SBU 引脚将暴露在 20V 下, 可能会对系统造成损害，为了避免此现象的发生，我们需要在 CC/SBU 引脚附近设置工作电压大于 20V 的静电保护元件。

2.2如何确定器件电容

USB接口上D+/D-差分对属于低速信号线，速率仅为480Mbps；USB 3.0接口及以上版本的TX/RX差分对属于千兆以上的高速信号。在一些高速数据接口线路上，ESD 保护器件的结电容应选择尽量的小，以避免影响信号完整性。保护器件的寄生电容有可能与传输线阻抗形成RC电路，对高频信号产生衰减；若保护器件电容过大，也有可能会改变线路等效阻抗，引发信号反射。因此为高速信号线选择合适的 ESD 防护器件至关重要。

以下是根据项目中的整改经验和眼图测试结果整理的不同版本USB接口保护器件的推荐电容。

表4 USB接口速率及推荐电容

2.3如何判断深回扫器件在电路中是否发生闩锁效应

2.3.1 什么是ESD器件的闩锁效应

回扫型ESD防护器件具有超小封装体积、超低钳位电压、超低结电容特性，相比常规工艺ESD器件防护效果更优，且不影响信号完整性，可更有效保护USB端口免受瞬态过电压的影响，为相关电子产品设备加固防护，提升消费者使用体验。

常规型ESD的电压会随着I_PP（峰值脉冲电流）的增加而等比例增加，呈现出一个较为线性的增长趋势。深回扫型ESD器件在当电压达到V_T（触发电压）后会瞬间将两端电压拉低，进入一个小于工作电压V_RWM的较低电压V_HOLD,之后随着电流的增加电压逐渐增大，如图10所示;浅回扫型ESD器件在当电压达到V_T（触发电压）后会瞬间将两端电压拉低，进入一个稍大于工作电压V_RWM的电压V_HOLD,之后随着电流的增加电压逐渐增大，如图11所示。

图16 深回扫器件特性曲线

图17 浅回扫器件特性曲线

深回扫器件在使用过程中，很容易面临一个问题——闩锁效应。闩锁效应是回扫型ESD器件（如SCR、GGNMOS等）在静电放电（ESD）保护过程中可能发生的一种非预期自维持导通现象。当ESD上的电压超过触发电压（V_T）后，SCR进入回扫（Snapback）状态，电压降至维持电压（V_HOLD）。如果电源电压（V_dd）高于维持电压（V_HOLD），且电流超过维持电流（I_HOLD），SCR会持续导通，无法自动关断，形成闩锁，使元件持续维持在导通状态无法被截止。

浅回扫器件由于可以保证V_HOLD>V_RWM，不存在闩锁的风险。

若元件发生闩锁效应，信号无法正常传输，可能会导致电流持续增大，引发金属线熔断或器件损坏。闩锁还可能引发芯片逻辑异常，电源短路，需断电重启才能恢复。反复闩锁产生的局部高温可能加速材料老化（如金属迁移、电迁移），缩短芯片寿命。

2.3.2如何解决ESD器件的闩锁效应

如果要将闩锁效应解除，必须使系统断电，或者满足

V_bias < V_HOLD OR I_bias < I_HOLD

在芯片ESD防护设计中，需仔细评估维持电压（V_HOLD）、维持电流（I_HOLD）与电源电压（V_dd）的关系，确保闩锁不会在正常工作条件下被触发。

（1）USB 2.0

高速模式下的差分线上的工作电压为2.8-3.6V，则V_dd-max=3.6V

终端电阻为40.5-49.5Ω，则R_S-min≈40Ω

图18 来源于USB 2.0规范

图19 来源于USB 2.0规范

保证不发生闩锁效应的条件为

V_HOLD > 3.6V  OR  I_HOLD>= (V_dd− V_HOLD)/ R_S

若V_HOLD = 2.5V，则I_HOLD >=(3.6V-2.5V)/40 Ohm=27.5mA

（2）USB 3.0/3.1/3.2/4.0

①情况一：ESD保护器件被放置在发送端芯片的输出端 和 AC耦合电容 之间

已知TX/RX差分线上的工作电压为0-2.8V，则Vdd-max=2.8V

差分终端电阻为72-120Ω，则单端终端电阻为36-60Ω，RS-min=36Ω

图20 来源于USB Type-C规范

保证不发生闩锁效应的条件为

V_HOLD > 3.6V  OR  I_HOLD>= (V_dd− V_HOLD)/ R_S

若V_HOLD = 2.5V，则I_HOLD >=(3.6V-2.5V)/40 Ohm=27.5mA

②情况二：ESD保护器件被放置在AC耦合电容 和USB连接器之间

AC耦合电容隔离了 TX端的直流（V_CM-TX）和RX端的直流（V_CM-RX），RX端没有直流源，因此没有持续的DC电压会强制ESD器件进入闩锁状态。在AC耦合电容的连接器侧，允许的瞬时直流电压V_CM-RX最大值为2V，但这是瞬态的电压，而非固定的直流电压，且可快速释放。这种设计确保了 ESD保护器件不会因TX信号耦合而进入闩锁状态，同时满足信号完整性和可靠性要求。

③情况三：ESD保护器件被放置在AC耦合电容后， 此时为悬空的USB连接器，无RX设备

该电路仅包含TX端，未与RX端形成回路。TX端信号通过AC电容耦合到悬空的RX侧，产生共模电压V_CM-RX，即V_d（位移电压），最高可达 2V，且无法快速释放。

若V_HOLD ≤ 2V，V_d可能导致ESD器件持续导通，进入闩锁状态。但V_d会通过ESD器件缓慢放电，漏电流逐渐下降，电压最终降至V_HOLD以下，自动解除闩锁状态。

若V_HOLD > 2V，V_d不会导致ESD器件持续导通，无闩锁风险。

因此，在设计电路时，应在设计时尽量将ESD防护器件放置在AC耦合电容之后，且优先使用V_HOLD > 2V的超低电容ESD器件，以避免闩锁效应，确保其在安全范围内有效工作。

3 结论

综合以上考量，我们从是否支持PD协议两个角度为USB接口推荐了一些低电容低钳位电压且没有闩锁风险的ESD防护器件，可确保信号的完整性。

表5 USB接口推荐器件（支持PD协议）

表6 USB接口推荐器件（支持PD协议）

湖南静芯深回扫型系列ESD器件工作电压涵盖1.0~38V，电流涵盖4~30A，电容最低至0.1pF，封装涵盖CSP、FC及各类封装形式。同时推出22V&33V TDS平缓浪涌抑制器，可用于保护工作电压为20V、24V、28V、36V的系统，具有精准且恒定的触发电压、优异的钳位性能及稳定的温度特性，可为系统提供更全面保护。结合TDS器件与深回扫ESD优势，湖南静芯是国内首家推出USB4.0完整解决方案的公司，详情可以参考：湖南静芯推出Thunderbolt4、5/USB4.0&PD3.0的ESD&EOS防护完整解决方案100W+80G与“湖南静芯推出USB4.0&PD3.1的ESD&EOS防护完整解决方案140W&180W+80G/120G”等文章。