目錄

一、USB的發展歷史及分類

二、什么是USB 2.0、USB 3.0、USB4

三、比較USB 2.0、USB 3.x和USB4的ESD保護方案

四、USB ESD保護的案例分析——以晶揚電子產品為例

一、USB的發展歷史及分類

USB（Universal Serial Bus，通用串行總線）是用于連接計算機和外部設備的一種標準，接口可連接127種外設，如鼠標和鍵盤等。它在20世紀90年代中期被引入，旨在簡化設備連接并提高數據傳輸速度。

在科技領域近二十年發展中，USB承擔著舉足輕重的作用，比如在傳輸數據和電量方面，很大程度上影響著我們的生活。從USB的發展而言，早在1994年，USB標準最初是由英特爾與微軟公司倡導發起成立的USB標準化組織（USB-IF）制定的一種接口標準，即USB。該標準旨在解決日益增多的PC外設與有限的主板插槽和端口之間的矛盾，提供了一種快速且靈活的串行通信接口。在1995年，個人電腦就已經帶有USB接口，由于缺乏軟件及硬件設備的支持，USB接口都閑置未用。USB技術自推出以來，經歷了多次演進和改進，從USB 1.0/1.1，USB 2.0，USB 3.x，發展到現在的USB4，從最初的1.5 Mbps到如今的40 Gbps，顯著提升了數據傳輸速度和設備兼容性。不同版本和接口類型的USB為用戶提供了多樣化的選擇，滿足了從簡單的設備連接到高性能數據傳輸的各種需求。隨著技術的不斷進步，USB的應用場景和功能將會更加廣泛和強大。

1.1 USB協議的發展

自從USB 2.0版本的命名標準誕生以來，USB-IF就采用把上一代版本的接口或本代的小版本并入當前最新接口標準的方式對USB接口標準進行命名，這種混亂命名方式令消費者困擾不已，難以區分。這種困擾持續多年，直至2022年，USB-IF對長期以來混亂的命名方式做出了修改，新的命名規范使用了“USB+傳輸速度”的命名方式。相關USB的協議的歷史命名、支持帶寬和傳輸速度如表1所示。USB的傳輸速度單位Gbps（Gigabits per second）表示每秒傳輸的千兆比特數，而MB/s（Megabytes per second）表示表示每秒傳輸的兆字節數，1 bytes = 8 bits，因此1 Gbps = 125 MB/s.

圖2展示了USB協議的發展歷程。圖中的每個數據點代表一個USB版本，標注了其發布年份和傳輸速度。圖中對對每個版本的特點進行了說明。例如USB 1.0首次引入即插即用和熱插拔概念，USB 2.0大幅提升了傳輸速度，USB 3.0引入了SuperSpeed USB的概念，USB4則整合了Thunderbolt 3協議并支持更高的傳輸速度。通過這張圖，可以清晰地看到USB協議在數據傳輸速度和技術功能上的顯著提升。USB協議的發展不僅提升了數據傳輸速度，還提高了設備兼容性和電源管理能力，使得各種外設的連接更加簡便和高效。隨著技術的不斷進步，USB接口仍然在不斷演變，以滿足日益增長的數據傳輸需求和設備互聯需求。

1.2 USB接口類型的分類

隨著科技迭代發展，電子設備的接口類型也在迭代更新中，市場上的接口外形上可分為三大類，分別是USB Type-A、USB Type-B、USB Type-C，而USB Type-A和USB Type-B按體積大小可分為Standard型、Mini型、Micro型。而USB Type-C僅有一種造型。接口類型與圖片見表2所示。

1.2.1 Standard 類型USB接口

如表3所示，Standard USB接口中的Type-A、Type-B根據支持的USB標準不同，又可以分為USB 2.0和USB 3.0標準的USB接口。根據接口的顏色，很容易區分Type-A與Type-B接口是支持USB 2.0還是支持USB 3.0的。Type-A型接口也是我們日常生活中最常見的USB接口，廣泛應用于鼠標、鍵盤、U盤等設備上，Type-B型則常用于打印機、特殊顯示器等設備上。Type-C型支持的協議標準則更為先進，包含USB 3.1、3.2和USB4，和 Thunderbolt 3協議，普遍應用于新型筆記本電腦、平板電腦、大多數智能手機當中。

1.2.2 Mini類型USB接口

如表4所示， Mini USB接口是一種小型的USB接口，其指標與標準USB相同，但是加入了ID針腳(用于區分設備是主機還是外設)，以支持OTG(On The Go，該功能允許在沒有主機的情況下，實現設備間的數據傳送)功能。Mini USB接口由于相對較小的體型，常見于一些小型設備上，比如MP3、MP4、收音機等，某些古早型號的手機也采用了該接口。

1.2.3 Micro類型USB接口

如表5所示，Micro USB接口屬于Mini USB的下一代規格接口，Micro USB接口的插頭采用了不銹鋼材料，插拔壽命提高為10000次，相比Mini USB接口，在寬度幾乎不變的情況下，高度減半，更為小巧。Micro USB接口也可分為Micro-A和Micro-B兩種，如表5中的圖片所示。在智能手機發展的前期，絕大多數的智能手機(蘋果手機除外)都采用了Micro-B型接口作為充電和數據接口。在USB 3.0標準發布后，Micro-B接口也有了新的造型，市場上購買的支持USB 3.0的移動硬盤盒大部分就采用了該接口。

二、什么是USB 2.0、USB 3.0、USB4

2.1 USB 2.0

USB 2.0（Universal Serial Bus 2.0）是USB標準的第二代，廣泛用于計算機及各種外設的連接，發布于2000年。USB 2.0標準由USB Implementers Forum（USB-IF）發布，旨在解決USB 1.1的速度瓶頸并增強設備互連性。USB 2.0相比其前代USB 1.1，顯著提高了數據傳輸速度，并擴展了功能和應用范圍。

2.1.1 主要特點

（1）高傳輸速度

傳輸速率：USB 2.0引入了480 Mbps的傳輸速率（High-Speed），是USB 1.1的40倍，支持更快速的數據傳輸。

兼容性：向后兼容USB 1.1，支持全速（12 Mbps）和低速（1.5 Mbps）設備。

（2）廣泛的設備支持

多種設備：支持鍵盤、鼠標、打印機、掃描儀、攝像頭、外置存儲設備、移動電話、便攜式媒體播放器等各種設備。

即插即用：支持即插即用（Plug and Play）和熱插拔（Hot Swapping），使設備連接和移除變得簡單方便。

（3）總線供電

供電能力：通過USB總線提供電力，標準供電能力為每個端口5V、500mA，支持低功耗設備。

電力管理：支持設備休眠和電源管理，以節省能源。

2.1.2 傳輸類型

USB 2.0支持四種傳輸類型，每種類型適用于不同的應用場景：

（1）控制傳輸（Control Transfer）：

用于發送命令和狀態信息，例如設備初始化和配置。

應用場景：設備識別和配置。

（2）批量傳輸（Bulk Transfer）：

適用于大數據量傳輸，具有錯誤重試機制。

應用場景：文件傳輸、打印機數據傳輸。

（3）中斷傳輸（Interrupt Transfer）：

用于小數據量的周期性傳輸，保證一定的傳輸速率。

應用場景：鍵盤、鼠標輸入數據傳輸。

（4）等時傳輸（Isochronous Transfer）：

用于實時數據傳輸，沒有錯誤重試機制，但保證數據傳輸的時效性。

應用場景：音頻和視頻流傳輸。

2.1.3 應用場景

個人計算機：廣泛應用于臺式機、筆記本電腦、外設連接。

消費電子：用于相機、MP3播放器、手機充電和數據傳輸。

存儲設備：外置硬盤、U盤等存儲設備。

打印和掃描：連接打印機和掃描儀，提供數據傳輸和控制。

2.1.4 優勢和挑戰

（1）優勢

高性能：相比USB 1.1，顯著提高了數據傳輸速度，支持更多高帶寬設備。

廣泛兼容：支持大量現有設備，向后兼容性強。

即插即用：簡化了設備連接和使用，提高了用戶體驗。

（2）挑戰

帶寬限制：盡管USB 2.0速度較高，但對于某些高帶寬應用（如高清視頻傳輸）仍顯不足。

功率限制：標準供電能力（5V、500mA）對于某些高功耗設備不夠。

2.1.5總結

USB 2.0是一個具有里程碑意義的技術標準，通過顯著提升數據傳輸速度和擴展設備兼容性，徹底改變了計算機和外設的連接方式。盡管隨著USB 3.0及以上版本的推出，USB 2.0在新設備中的使用逐漸減少，但其對技術進步和市場影響仍然深遠，許多設備和應用場景中依然在使用USB 2.0。

2.2 USB 3.0

USB 3.0（Universal Serial Bus 3.0）是USB標準的第三代，發布于2008年。它在數據傳輸速度、電力傳輸和連接性能方面有顯著提升。它繼承了USB 2.0的優點，并在此基礎上進行了多方面的改進。

2.2.1 主要特點

（1）高傳輸速度

傳輸速率：USB 3.0支持高達5 Gbps的傳輸速率（SuperSpeed），是USB 2.0的十倍，大幅提升了數據傳輸效率。

全雙工通信：支持全雙工通信，可以同時進行數據的發送和接收。

（2）更高的電力供給

供電能力：USB 3.0提供更高的電力輸出，每個端口可以提供900mA的電流，相比USB 2.0的500 mA，有顯著提升。

電力管理：改進了電力管理功能，包括更精細的電源控制和低功耗狀態。

（3）向后兼容

兼容性：USB 3.0向后兼容USB 2.0和USB 1.1設備，可以使用相同的USB連接器和電纜。

2.2.2 傳輸類型

USB 3.0支持四種傳輸類型，每種類型適用于不同的應用場景：

（1）控制傳輸（Control Transfer）：

用于發送命令和狀態信息，如設備初始化和配置。

應用場景：設備識別和配置。

（2）批量傳輸（Bulk Transfer）：

適用于大數據量傳輸，具有錯誤重試機制。

應用場景：文件傳輸、打印機數據傳輸。

（3）中斷傳輸（Interrupt Transfer）：

用于小數據量的周期性傳輸，保證一定的傳輸速率。

應用場景：鍵盤、鼠標輸入數據傳輸。

（4）等時傳輸（Isochronous Transfer）：

用于實時數據傳輸，沒有錯誤重試機制，但保證數據傳輸的時效性。

應用場景：音頻和視頻流傳輸。

2.2.3 應用場景

個人計算機：廣泛應用于臺式機、筆記本電腦、外設連接。

存儲設備：外置硬盤、U盤等存儲設備，可以利用高速傳輸提高數據傳輸效率。

消費電子：相機、智能手機、平板電腦等設備的充電和數據傳輸。

多媒體設備：高清視頻攝像機、高清顯示器等需要高帶寬的設備。

2.2.4 優勢與挑戰

（1）優勢

高性能：提供高達5 Gbps的傳輸速率，大幅提升數據傳輸效率。

高電力供給：提供更高的電力輸出，支持更多高功耗設備。

廣泛兼容性：向后兼容USB 2.0和USB 1.1設備，保持了良好的兼容性。

即插即用：支持即插即用和熱插拔，簡化了設備連接和使用。

（2）挑戰

成本：實現USB 3.0的硬件設計和制造成本較高，可能影響設備價格。

電纜限制：為了保證高速傳輸，電纜長度推薦不超過3米。

2.2.5總結

USB 3.0通過顯著提升數據傳輸速率和電力供給能力，滿足了現代設備對高帶寬和高功率的需求。它保持了與USB 2.0和USB 1.1的兼容性，同時提供了更加高效和靈活的連接解決方案。在個人計算機、存儲設備和消費電子等領域，USB 3.0為用戶帶來了更好的體驗和更高的效率。

2.3 USB4

USB4是USB（Universal Serial Bus）協議的最新版本，旨在提供更高的數據傳輸速度、增強的功能和更廣泛的兼容性。USB4標準于2019年由USB Promoter Group發布，是基于Thunderbolt 3協議開發的。它統一了USB和Thunderbolt的規范，旨在簡化連接器和協議，提升數據傳輸和電源供給能力。

2.3.1 主要特點

（1）高傳輸速度

傳輸速率：USB4支持兩種主要的傳輸速率，20 Gbps和40 Gbps，分別是前代USB 3.2的兩倍和四倍。

對稱傳輸：支持全雙工通信，即可以同時進行數據發送和接收，提升了數據傳輸效率。

（2）多協議支持

Thunderbolt 3兼容：USB4完全兼容Thunderbolt 3，意味著支持使用同樣的USB-C接口和電纜進行連接，并且提供同樣的性能。

DisplayPort和PCIe：支持通過Alt Mode傳輸DisplayPort和PCIe協議的數據，允許視頻輸出和高速數據傳輸。

（3）單一連接器

USB-C接口：USB4使用USB-C接口，具有雙向插入的優點，簡化了用戶使用體驗，并且提供更高的功率傳輸能力。

（4）智能資源分配

動態帶寬分配：USB4能夠根據連接的設備動態分配帶寬。例如，當連接顯示器和存儲設備時，USB4會智能地分配帶寬，以確保顯示和數據傳輸的最佳性能

（5）兼容性和向下兼容

向后兼容：USB4向后兼容USB 3.x和USB 2.0設備，但需要注意的是，傳輸速度和功能會根據設備和電纜的規格有所降低。

兼容性要求：為了確保兼容性，設備制造商需要遵循USB4規范，確保設備能夠與現有的USB和Thunderbolt設備兼容。

2.3.2 應用場景

高性能外設：USB4適用于高帶寬需求的外設，如外置顯卡、4K/8K顯示器、高速存儲設備等。

多功能擴展塢：由于USB4支持多協議傳輸，可以實現視頻輸出、數據傳輸和電力傳輸，通過單一USB-C連接器連接擴展塢，為筆記本電腦提供豐富的擴展功能。

移動設備：智能手機、平板電腦等移動設備可以通過USB4實現快速充電和高速數據傳輸。

2.3.3 優勢和挑戰

（1）優勢：

高性能：提供高達40 Gbps的傳輸速率，大幅提升數據傳輸效率。

多功能性：支持多種協議，允許通過單一接口進行數據、視頻和電力傳輸。

簡化接口：使用統一的USB-C接口，減少了不同接口類型的混亂，提升了用戶體驗。

（2）挑戰：

成本：實現USB4的硬件設計和制造成本較高，可能影響設備價格。

生態系統過渡：從舊版本USB過渡到USB4需要時間，用戶和制造商需要適應新標準。

2.3.4總結

USB4是最新一代的USB標準，通過融合Thunderbolt 3的技術，提供了更高的傳輸速率、更多的功能和更好的兼容性。它通過統一的USB-C接口實現數據、視頻和電力傳輸的多功能性，為各種設備提供了高效的連接解決方案。盡管在成本和生態系統過渡方面面臨挑戰，但USB4代表了未來USB技術的發展方向。

三、比較USB 2.0、USB 3.0和USB4的ESD保護方案

USB接口因其高速傳輸能力（USB 1.1達到12Mbps，USB 2.0為480Mbps，而USB 3.0高達5Gbps）、便捷性、支持即插即用、靈活的連接方式以及為設備獨立供電等特點，已成為眾多電子產品，特別是消費電子產品的標準配置。USB端口不僅能夠傳輸串行數據，還能向連接的設備提供電力。

3.1 USB 2.0 的ESD保護芯片及方案

針對USB 2.0接口的ESD保護，市面上有多種型號的保護芯片可供選擇。以下是一些常見的型號：

1、ESD321：這款ESD保護二極管用于保護USB 2.0的D+和D-線路，具有3.6V的反向工作電壓和30/30 kV的IEC 61000-4-2 ESD等級 。

2、ESD441：適用于保護VBUS線路，具有5.5V的反向工作電壓和30/30 kV的ESD等級，電容為1pF 。

3、TPD4E05U06：這款器件可以同時處理數據線和電力線，工作電壓為5.5V，具有12/15 kV的ESD等級和0.47pF的電容 。

4、NUP4114UPXV6：由安森美半導體生產的低電容瞬態電壓抑制器(TVS)二極管陣列，專為USB 2.0高速數據線路設計，具有0.8pF的極低電容，滿足13 kV接觸放電的IEC61000-4-2標準 。

5、NUP2114：適用于不帶ID線路的USB 2.0應用，作為NUP4114UPXV6的替代方案。

6、ESD9L 和 ESD9X：可以搭配使用，作為分立方案保護USB 2.0接口。

7、ESD7L 和 ESD9X：同樣可以作為分立方案使用。

8、ESD11L 和 ESD9X：作為最新的分立方案，用于USB 2.0接口的ESD保護。

9、NUP3115UP 或 NUP4114UP：作為帶ID線路的USB 2.0應用的集成ESD保護方案。

這些型號的ESD保護芯片能夠為USB 2.0接口提供有效的靜電放電保護，確保數據傳輸的穩定性和設備的可靠性。在選擇適合的型號時，需要考慮芯片的電容、響應時間、工作電壓、ESD等級以及封裝尺寸等因素。

圖 3-1 顯示了實現三個 ESD 保護二極管的方框圖。這些二極管連接到連接器與電池充電器或 USB 控制器之間的每條數據和電力線。上圖中，ESD321 用于保護 D+ 和 D- 線路，ESD441 用于保護 VBUS 線路。還可以選擇使用一個ESD二極管來保護數據和電力線。建議二極管的工作電壓大于或等于 5V。

3.2 USB 3.0 的ESD保護芯片及方案

針對USB 3.0接口的ESD保護，以下是一些常見的ESD保護芯片型號及其性能參數：

1、UM5202/UM5204：英聯半導體推出的ESD保護器件，符合IEC61000-4-2 Level 4標準，即空氣為±15Kv等級，接觸為±8Kv等級。UM5204是4通道的ESD保護器件，適用于USB接口以及其他多種接口保護電路。

2、ESD122：德州儀器(TI)提供的ESD保護二極管，具有3.6V的反向工作電壓(VRWM)，17/17 kV的IEC 61000-4-2 ESD等級，電容為0.2pF，適用于D+、D-、TX+、TX-、RX+、RX-等線路的保護。

3、TPD4E02B04：同樣由TI提供，這款ESD保護器件具有3.6V的反向工作電壓和12/15 kV的ESD等級，電容為0.25pF，適用于4通道的USB 3.0高速數據線路保護。

4、SESD1103Q6UG-0020-090：TE Circuit Protection提供的6通道ESD保護陣列，用于保護USB 3.0的六個信號線，具有低電容和高ESD等級的特性。

5、SEULC0524PA：Semiware推薦的ESD保護產品，采用DFN2510P10封裝，具有小于0.8pF的低電容，出色的浪涌吸收能力，漏電流小，不含鹵素且符合ROHS及REACH測試標準。

6、SESR05：Semiware的另一款ESD保護產品，采用標準表面貼裝式SOT-143封裝，具有出色的浪涌吸收能力，漏電流小，不含鹵素且符合RoHS及Reach測試標準。

這些型號的ESD保護芯片能夠為USB 3.0接口提供有效的靜電放電保護，確保高速數據傳輸的穩定性和設備的可靠性。在選擇適合的型號時，需要考慮芯片的電容、響應時間、工作電壓、ESD等級以及封裝尺寸等因素。

圖 3-2顯示了實現四個 ESD 保護二極管的方框圖。這些二極管連接到連接器與電池充電器或 USB 控制器之間的每條數據和電力線。ESD321用于保護D+ 和 D-。TPD4E02B04 用于 TX/RX 線路。還有一些其他選項可以保護 D/TX/RX 線路，例如使用6通道器件，使用多個2通道器件，甚至使用單通道器件。ESD441 用于保護 VBUS 線路。

3.3 USB 4.0 的ESD保護芯片及方案

針對USB4.0接口的ESD保護，以下是一些推薦的ESD保護芯片型號及其性能參數：

1、PESD2V8R1BSF：Nexperia推出的業內首款專門針對USB4標準開發的ESD保護器件，具有行業領先的RF性能。該器件采用Nexperia的TrEOS ESD技術與有源可控硅(SCR)技術，實現極低電容(低至0.1 pF)、極低鉗位電壓（動態電阻低至0.1 Ω）以及非常穩健的防浪涌與ESD性能（最高可達20A 8/20 μs），適用于10 GHz頻率的信號線路，封裝為超低電感SOD962 。

2、AZ5B9S-01F：晶焱科技推出的ESD保護組件，特別針對USB4接口設計。該組件具有極低的寄生電容（低于0.2pF），能夠順利通過40Gbit/s的Eye Diagram測試。此外，AZ5B9S-01F擁有在IEC 61000-4-2接觸模式8kV ESD沖擊下的箝制電壓為4.6V，可以有效避免系統產品在ESD測試時發生數據錯誤或損壞。

3、ULC TVS二極管：TDK推出的TVS二極管，專為高速數據線如USB4?和Thunderbolt?4端口設計，以保障信號完整性。這些TVS元件在正常運行期間不會損害線路上的信號，同時為ESD瞬態提供強大的過電壓保護。

4、TrEOS ESD保護技術：Nexperia的TrEOS ESD保護技術，適用于高速數據線如USB4，提供低插入損耗和低回波損耗，同時具備低鉗位電壓，保護敏感的高速數據線。

5、TPD1E01B0：德州儀器(TI)提供的ESD保護二極管，具有3.6V的反向工作電壓(VRWM)，15/17kV的IEC 61000-4-2 ESD等級，電容為0.18pF，適用于D+、D-、TX+、TX-、RX+、RX-等線路的保護。

選擇適合的ESD保護芯片時，需要考慮其射頻性能、電容、鉗位電壓、封裝尺寸以及對信號完整性的影響。USB4.0接口由于其高速數據傳輸的特性，對ESD保護芯片的性能要求較高，尤其是在電容和信號完整性方面。上述型號的ESD保護芯片能夠滿足USB4.0接口的保護需求，確保數據傳輸的穩定性和設備的可靠性。

對于圖 3-3，TPD1E04B04 用于保護 TX/RX 線路，ESD321 用于 D+ 和 D- 線路，ESD441 用于保護 CC 引腳和 VBUS，ESD341 用于保護 SBU 引腳。有許多選項可以保護 USB Type-C，包括使用多通道器件。

四、針對USB 2.0、USB 3.0和USB4的ESD保護方案

4.1 USB 2.0

USB 2.0(480Mbps)

4.2 USB 3.x的ESD方案

USB 3.2 Gen 1 (5Gbps)

USB 3.2 Gen 2 (10Gbps)

4.3 USB4的ESD方案

對于USB4高速接口，選擇ESD/EOS保護組件時需考慮以下幾點：

（1）為了確保通過USB4傳遞高速信號完整性，選擇該器件時需使用具有較低電容的ESD保護組件

（2）具有較高的ESD耐電壓能力，至少要承受IEC 61000-4-2中規定的8kV接觸放電的ESD沖擊

（3）ESD鉗位電壓是比較重要參數。較低的鉗位電壓表示更好的保護性能

為滿足以上要求，晶場電子針對USB4 ESD/EOS推出其產品

TT0321SA TT0201SA

USB 4.0（20Gbps）

深圳市晶揚電子有限公司，成立于2006年，系國家高新技術企業及專精特新“小巨人”企業，榮獲多項殊榮如中國發明創業金獎。作為資深IC設計、生產、銷售及系統集成商，公司擁有豐富的知識產權與專利，被譽為“電路與系統保護專家”。依托中國大陸產業鏈優勢，公司面向全球，匯聚國內外頂尖設計研發人才，打造自主知識產權的集成電路及電子元器件全鏈條體系。

產品涵蓋ESD、TVS、LED顯示驅動、MOS管、電源管理、高精度電壓基準、霍爾傳感器、OPA、馬達驅動、接口芯片等模擬及數模混合IC，廣泛應用于電腦、電視、手機、網絡通信、智能穿戴、安防、家電、新能源汽車等多個領域，形成了強大的市場競爭力。

審核編輯 黃宇