TDK TVS元件可保障USB4?和Thunderbolt?4端口的信號完整性——高速數據線的保護和如何提供定制的ESD保護

電壓/電流/過熱保護器件

靜電放電及其電氣現象和保護

USB Type-C連接器和TDK保護解決方案

信號完整性和保護方法

參考資料

產品組合

聯系方式

靜電放電及其電氣現象和保護

采用USB端口的外圍設備非常普遍，并且其連接器容易暴露于靜電放電 (ESD) 的環境現象中。這種情況下可能會損壞便攜式設備內的敏感電子電路。解決這一問題的標準方法是在內部增加保護元件，即通過重定向過電流使其遠離敏感的集成電路 (IC) 和吸收傳輸的能量，從而將更高的潛在破壞性的電壓水平抑制在IC的閾值以下。這些保護裝置在正常運行期間通常在電路中不可見，且不會損害被保護線路上的通信信號。
不同于已經上市很長時間并且已從其他協議中獨立開發的USB 2.0及后續一直到USB 3.2，USB4?和Thunderbolt 3遵循相同的合規測試規范，即《USB4 電氣合規測試規范》。不過從信號頻率的角度來看，Thunderbolt 3信號和Thunderbolt 4信號是相同的，因此ESD保護解決方案也一樣。實際應用中，這意味著為其中一種協議而設計的ESD保護解決方案也適用于另一種協議，因為通信線路中使用的頻率是相同的。

USB Type-C連接器和TDK保護解決方案

USB開發者論壇 (USB-IF) 致力于推廣最新的協議，旨在通過單一的USB4 Type-C?連接器提供顯示、數據傳輸和加載/存儲功能，同時保持與現有USB生態系統的兼容性，包括與Thunderbolt?產品的兼容性。USB4 Type-C? 連接器還支持替代模式 (Alt mode) 下的Thunderbolt 4 (TBT4)系統[參見www.usb.org]。該連接器的兩側采用鏡像引腳，實現了正反可插拔，非常方便，因此被廣泛采用。不過，這些引腳在日常使用中容易發生ESD事件，因此須采取適當的ESD保護措施。

下圖顯示了USB-C插頭的24個引腳排布。最佳做法是將ESD保護裝置盡可能靠近瞬態事件源的地方安裝，即靠近連接器。這意味著需要小型化的過電壓抑制裝置，占板空間不能太大，但必須提供足夠的保護。下面描述的24個連接器引腳中，有4個用于接地，無需保護。
插座接口[來源： www.usb.org]

圖1：USB Type-C插座接口(正視圖)

USB Type-C插座接口(正視圖)

由于USB Type-C 插頭尖端的可逆設計，并且兩側的D+和D-引腳互為冗余，因此只需連接18個引腳。D-/D+引腳用于連接USB 2.0差分+/-引腳對。因此，當插座側支持兩個USB 2.0差分對引腳(位于上下兩行)時，激活的引腳對由插頭的朝向決定。

GND - 用于標記接地返回引腳，表示連接到PCB上的所有接地返回引腳。
Tx和Rx引腳用于高速數據，這種引腳的保護須慎重選擇，因為這關乎線路上的信號完整性。

VBUS- 總線電源引腳，支持更高的電壓和電流，可通過這些引腳快速充電?？偩€引腳的額定電壓可達20V，電流可達5A，最大功率可達100W。

圖2：全功能USB Type-C插頭（正視圖）

全功能USB Type-C插頭（正視圖）

除了上文提及的USB Type-C端口的優點之外，USB PD(電源傳輸)協議還支持終端設備快速充電，并為終端用戶提供更高的靈活性。USB PD規定的電壓高達48 V，并能搭配擴展功率范圍 (EPR) 電纜使用【參照《USB Type-C的電纜和連接器規范》，2021年5月】，詳情如下所示：

表1：電源選項總覽

備注 1 :

盡管USB BC 1.2規范允許供電電源被設計為支持0.5A到1.5A的電流水平，但USB Type-C規范要求支持USB BC 1.2的源端口至少能夠提供1.5A的電流，同時力推USB Type-C電流@ 1.5A并支持USB BC 1.2供電電源端子。

CC（Configuration Channel）和SBU（Sideband Use），用于檢測連接配置和其他支持備用（Alt）模式中的其他協議（例如HDMI協議）的Type-C連接器的附加用途的引腳。[參見USB.org]。這些引腳與VBUS和差分引腳（D+和D-如上圖所示）一起被稱為低速信號線引腳，而Tx/Rx引腳則連接到高速通信線。
這款USB Type-C 連接器也是歐盟充電器“萬用”外圍設備連接器的首選。歐洲議會通過頒布新的《無線電設備指令》來加強充電端口和快速充電技術的協調。新的指令在歐洲議會和理事會按照普通立法程序(共同決定)進行調整后，USB Type-C 連接器有望在24個月的過渡期后成為歐盟國家的標準充電器。[參考https://ec.europa.eu/commission/presscorner/detail/en/IP_21_4613］.
USB和充電的進一步標準化可參考IEC IEC 62680-1-2, Ed.5: 2021《數據和電源通用串行總線接口第1-2部分：通用組件 - USB電源傳輸規范》和IEC 63002, Ed.2: 2021《計算和消費電子設備用外部電源的互操作性規范和通信方法》
TDK新近推出的TVS（瞬態電壓抑制）二極管就是專為滿足上述應用需求而設計的。高速Tx/Rx引腳的保護需慎重ESD元件，因為選定的抑制器不僅要為ESD瞬態提供強大的過電壓保護，而且在正常運行期間還不能損害線路上的信號。該信號使用的數據速率在USB4 20 Gbps端口最高達20gb /s，在USB4 40 Gbps端口則高達40gb /s，并且通常使用兩對。這意味著單條線路的數據速率分別高達10 Gb/s和20 Gb/s。這些數據速率對應的頻率大致可通過將數據速率減半來計算。因此，對于USB4使用的40 Gbps數據速率，對應的奈奎斯特頻率為10 Ghz；而對于較慢的20 Gbps數據速率，對應奈奎斯特頻率則為5 Ghz，詳情如下表所示。

表2：USB的數據速率和頻率

USB的數據速率和頻率

信號完整性和保護方法

將ESD元件并聯到數據線不可避免地會產生一些插入損耗，即導致信號質量下降。元件對信號的影響程度可使用對應信號的眼圖來確認。當然，為確保元件不會降低信號質量，最好的做法是進行測量和評估。評估時，選用標準化電路，對比帶和不帶該元件時分別記錄的信號測試的眼圖。應準備兩塊相同的可處理高頻信號的線路板。如下圖所示，其中一塊板安裝ESD元件，另一個不安裝該元件。

圖3：帶/不帶元件的參考板

不帶元件的參考板

帶元件的參考板

兩者施加相同的測試信號，并比較測量結果。
TDK的ULC TVS二極管已使用USB 3.2信號進行測試，并由USB認證的外部實驗室——歐陸數字檢測 (Eurofins Digital Testing) 實驗室進行測量，獲得USB 3.2信號測試和眼圖認證，并隨附如下對應的信號掩碼：

圖4：USB 3.2 Gen 2眼圖（每線10 Gbps，信號頻率為5GHz）

USB 3.2 Gen 2眼圖（每線10 Gbps，信號頻率為5GHz）

帶元件

不帶元件（測試板參考）

可應要求提供完整的USB 3.2 Gen.2合規測試認證報告。

我們還針對最壞的場景進行了測試，即長通道測試。測試使用Standard-B插座，電纜長度為3米，并根據規范要求增加PCB痕跡。我們還對搭載Micro-B和Type-C產品的主機和設備執行了基于最差通道的測試。ULC產品線下的兩款TDK TVS二極管都經過上述測試和評估，并且測試合格。保護元件順利通過USB 3.2信號測試，意味著該元件能很好地保護高數據速率信號線路，能為線路上的其他元件提供充分的裕度，而且較低的數據速率也是如此。
TDK的ULC TVS二極管還使用USB4信號進行了測試。這些測試中采用了相同的方法，眼圖如下所示。

圖5：20G眼圖

20G眼圖

20.0G (Rounded)
TP2 直通板 01005	TP2_帶 TDK TVSD SD01005SL-ULC101
TP3 直通板 01005	TP3_帶 TDK TVSD SD01005SL-ULC101

其中TP2和TP3點是USB規范中指定的，詳情如下。

圖6：USB4 TX合規點定義

USB4 TX合規點定義

在上圖的TP2和TP3點之間嵌入一個USB-C連接器（用S參數模擬）和一根無源電纜（假設電纜長度：10 Gbps數據速率為2m，20 Gbps數據速率為0.8 m）[參見www.usb.org]。
上述測試和眼圖測量采用的測試信號為標稱信號。在比較帶和不帶元件的板的兩個測量值時，只能觀察到最小的差異，即抖動值略有增加。測試結果表明，TDK的TVS ESD元件在所有測試信號條件下都測試合格。
TDK提供可靠TVS ESD保護二極管兼容 USB 3.2 10 G，以及USB4 20 G 和40 G信號。我們還能應客戶要求為相關元件提供USB 3.2信號和USB4測試報告。
TDK的TVS ESD保護二極管兼容USB 3.2和USB4 40 G信號，并有兩種尺寸供選擇，體積小，非常適合狹小空間應用。EIA(美國電子工業聯盟)尺寸為0201的SD0201SL-ULC101采用規定的“晶圓級芯片尺寸封裝”(WL-CSP)瞬態電壓抑制器 - TVS (SD0201SL-ULC101)，并且EIA尺寸為01005 的SD01005SL-ULC101也采用WL-CSP封裝瞬態電壓抑制器 - TVS (SD01005SL-ULC101)
憑借合理的襯墊布局，這兩種二極管的PCB占板空間極小，并且采用超薄封裝，不僅體積小，而且高度降低到100 μ m，因此是受限空間應用的理想選擇。ESD保護通常是通過將元件與被保護電路并聯來實現，也可以連接到線路的任何位置來保護IC。推薦的方法是將其連接到盡可能靠近干擾源的地方，比如將抑制器靠近連接器連接。通過這種方法，能最大限度降低可能產生的寄生電感。從可能的瞬態源開始，安裝在ESD元件后面的所有元件都會受到保護。在此基礎上，采用無引線的封裝還能排除引腳的所有寄生電感。因此，SMD ESD保護裝置非常適合上述應用。二極管動作快和小型SMD WL-CSP封裝是ESD元件的兩大明顯優勢。
從信號路徑上看，有許多可能的插入損耗源，這可能會降低信號質量。其中包括扼流圈、共模扼流圈、電容器、電纜、插頭和連接器等，信號線上的每個部分都會在某種程度上影響信號質量。ESD元件是重要的功能部件，對于保持IC安全，使其免受瞬態過電壓的影響至關重要。查看最壞情況下的眼圖中的數字，可以觀察到裕度(下圖紫色括號標記的地方)。除了ESD元件自帶的插入損耗，這個裕度是可供開發人員使用的，表示可在線路中安裝會帶來額外插入損耗的元件。

B74111U0033M060_TVS01005SL datasheet

圖7：其他部件的插入損耗電容裕度

其他部件的插入損耗電容裕度

由于USB4和Thunderbolt 4遵守相同的《USB4電氣合規測試規范》，因此測試結果同樣適用于搭載Thunderbolt信號的線路。

產品組合

適用于上述USB Type-C 連接器引腳排布的完整保護解決方案如下所示。

表3：產品組合

TDK型號	B74121U0033M060	B74111U0033M060	B74121U0055M060	B74111U0055M060	B74121G0160M060	B74121G0200M060
占板空間
封裝	WLCSP 0201	WLCSP 01005	WLCSP 0201	WLCSP 01005	WLCSP 0201	WLCSP 0201
厚度	150 μm	100 μm	150 μm	100 μm	150 μm	150 μm
工作電壓	3.3 V	3.3 V	5.5 V	5.5 V	16 V	20 V
鉗位電壓 ITLP = 8A	3.9 V	3.8 V	4.1 V	3.9 V	22 V	26 V
電容 1 MHz	0.65 pF	0.48 pF	0.55 pF	0.43 pF	9 pF	5.3 pF
ESD接觸放電	15 kV	15 kV	15 kV	15 kV	15 kV	10 kV
保護的引腳	Tx/Rx	Tx/Rx	D+/D-(Tx/Rx)	D+/D-(Tx/Rx)	VBUS (CCI SBU)	VBUS (CC / SBU)
型號列表

USB Type-C 連接器的引腳

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總之，TDK的TVS二極管具有先進的USB ESD保護性能，不僅能為敏感集成電路 (IC) 提供卓越保護，還能針對USB Type-C 端口引腳和其他應用提供定制保護。TDK的TVS二極管尺寸小，高度低，能最小化占板空間，并且保護時具有較低的鉗位電壓，不會干擾高數據速率的信號，比如測試所示的USB協議和其他高數據速率協議。

審核編輯：彭菁