在 2013 年,USB 开发者论坛发布了两种全新接口:USB 3.1 和 USB C 类。 两者与早先 USB 接口相比具有多项优势,但这些优势需通过精心设计方可实现。
具体而言,支持USB3.1 C 类的产品必须特别注意为并入的接口的各种高速和高能线路提供 ESD 保护。与此同时,设计必须保证不牺牲带宽。Littelfuse 公司提供的硅增强 ESD 二极管矩阵(简称 SESD)产品线提供了一系列专门针对这种高速串连接口设计的解决方案。SESD 产品线可以提供最大程度的防护,并将相关的附加系统成本、复杂性和衰减降到最低。
USB 3.1 接口支持高达每秒 10 千兆比特的数据传输量。通过 2.0 功率传输规格,输电量可高达 100 瓦特。这些速度足以支持高端固态硬盘、磁盘阵列甚至高分辨率的视频显示器。高能特性意味着 USB 3.1 适合用于为绝大多数移动电话、笔记本电脑和其他外围设备供电。为了让连接过程更加便捷,C 类接口取消了旧式 USB 接口的键盘互联。然而,正如传统 USB 接口一样,C 类接口支持各种不同电缆长度。USB 3.1 和 USB C 类接口可以独立使用,但只有同时结合了两者性能的端口产品才能为消费者提供最大利益。高速和高能传输功能的结合,加之简易的普遍电缆,这听起来就像科技迷们的梦想成真了。但是,这意味着接口设计者们需要在执行时加倍注意。
USB 3.1 的关键功能是高速的数据传输率。高达 10 千兆比特的数据传输率让 USB 3.1 得以与第一代 Thunderbolt 控制器相提并论。在科技验证中,USB 3.1 已经证明其能够处理固硬盘支持的高速数据传输。
为了理解如此高速是如何取得的,不妨先看一看 USB C 类引脚的定义。参照图解 1,依照从外向内的方式,连接器的最外围为四只接地引脚。在接地引脚旁边的是差分双绞线,作为传送和接收对的两支。这些差分双绞线构成了主要高速总线。每条线路都能够达到 5 千兆比特每秒,然而这些传送和接收对中仅有一组工作,因此最大带宽总和为 10 千兆比特每秒。
但是,必须支持这一高速接口的并不仅仅是电缆和连接器本身。数据将穿越整个网络,从客户电路板到连接器,通过电缆进入另一个连机器,再到达主电路板。高速数据电缆对于 ESD 事件高度敏感,尤其是被禁用/不运作的传送接收对。虽然整个系统的寄生效应总和才可以决定传送和接收数据的最大可能带宽,但最关键的因素是电容。Littelfuse 公司的 SESD 解决方案能够提供单向或双向配置的超低电容的 ESD 保护,从而使设计不会牺牲 ESD 保护或数据完整性。
USB 3.1 规格要求信息以 0 或 1 的形式进行流通,而不经过零电压。因此,单向保护是最理想的解决方案。双向保护的电容较低,因此可能是一种更高带宽的选择。然而,有一点必须注意,那就是双向保护形式可能会使不运作的高速通道暴露在潜在的过压威胁之下。Littelfuse 提供的 SESD 单向矩阵(零件编号 RF3077-000)被打包为四通道配置,非常方便实用。该解决方案专门旨在为 USB 3.1 高速通道提供最优化的防护,与此同时仅为整体设计增加了 0.2 pF 的电容。另一种选择是使用现有行业标准 0201 或 0402 表面安装配置中的单通道单向解决方案。针对看重路由灵活性的顾客,Littelfuse 提供 SOD- 882 和 0201 DFN 离散格式的双定向 ESD 防护
继续向连接器的内层看,下一圈引脚是四个 Vbus (总线电源)引脚。USB 3.1 接口采用 USB 功率传输 2.0 规格来支持 5 个功率曲线。其中功能最强大的是功率曲线 5,它可以支持单根电缆 20 V 电压、5 A 电流,或者 100 W 总功率。这种高功率的性能优势这对于使用 USB 3.1 C 类的顾客来说无疑是一大亮点,它可以支持更多更大设备,同时缩短充电时间。这些引脚本身存在特有的 ESD 问题。其中之一便是空电池组的初始充电浪涌较小。这里的浪涌包括电压以及电流尖峰,因此应当考虑提高电压(通常比额定电压增加 50%)。Littelfuse 提供行业标准 0402 封装的 SPHV24-01ETG 或者 0201 标准封装形式的 SP24-01WTG-HV。两种芯片设计都提供 USB 功率曲线 5 (100 W 传输功率)的 ESD 防护。 同时还为 Vbus 应用提供种类齐全的 ESD 防护芯片,从而利用较低的功率曲线。
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继续向 USB C 类连接器的中心移动,在 Vbus 线路之后是配置通道(CC1 和 CC2)以及边频带使用(SBU1 和 SBU2)线路。这些线路构成了一个较低速的总线,从而使 USB 3.1 C 类能够利用例如 Thunderbolt 或 Display Port 等替代协议。USB C 类规格要求插入方向是由位于两个配置通道线路之一的下拉电阻所决定的。CC1 和 CC2 线路同样支持低速通信,例如在主机和客户机之间发送卖方定义消息( VDM)。虽然通过配置通道引脚的传输为低带宽,但这些引脚仍面临潜在的 ESD 威胁。侧频带使用通道也被用于低带宽的情况中,诸如用于主机与客户端的显示器端口会话协商。由于配置通道和侧频带使用引脚不要求高速总线具有高带宽性能,因此配置通道和侧频带使用引脚将受益于中程电容和单向 ESD 防护。Littelfuse 提供这些引脚的 SP1003-01ETG 和 SP1006-01UTG 解决方案。
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USB C 类连接器的中心为 2 个差分对,构成传统的 USB 2.0 总线。然而,不同于传统的 USB 2.0,位于 USB C 类中心的总线为双向实现。该高速总线需要自带低电容以及双向 ESD 防护,例如 Littelfuse 公司提供的零件编码为 SP3022-01WTG 或 SP3022-01ETG 的产品。
USB 一直以来始终受到消费者的青睐,因此能够确保 USB 3.1 C 类的普及。完成实现这一标准的设备现已开始陆续进入商店货架。这些产品中大多数是移动设备,且消费者们期待这些产品可以满足口袋、桌面以及汽车等不同使用需求。此外,他们希望能将设备连接至长达 3 米的电缆,同时他们还期待所谓的便捷连接器,可以正面朝上或朝下配置插入。这些期待使得 ESD 防护的设计尤为关键。Littelfuse 公司为新一代的高速高能设备提供齐全的 ESD 解决方案。