图1 USB 3.0接口电路的EMC和安规系统方案
2 方案设计
2.1 静电防护设计
根据产品国际CE认证遵循的电磁兼容指令2014/30/EU，对IT设备静电放电抗扰度的测试要求是接触放电±4kV、空气放电±8kV ；对通信产品静电放电抗扰度的测试要求是接触放电±6kV、空气放电±8kV。另外根据 IEC61000-4-2:2008《测试和试验技术 - 静电放电抗扰度测试》，除了特殊要求外，目前静电放电测试等级最高的要求是接触放电±8kV、空气放电±15kV。
静电放电会造成瞬态过压现象，电源总线和数据总线上都有可能出现。因此 USB接口防护电路应包括两部分 ：信号的过压防护和电源Vbus的过压防护。对于高速数据信号，在数据线路上增加任何电容都可能造成信号波形失真，导致数据传输的中断和 / 或故障。这就对USB 3.0 接口上使用的静电放电防护器件提出了更高要求，既要能保护敏感电路，又不增加会导致信号质量降低的电容。
目前最常用的静电放电防护器件是瞬变电压吸收二极管TVS和钳位二极管组合的防护模块。下面推荐一种USB 3.0静电放电防护设计方案，根据USB 3.0要兼容USB 2.0的特性，USB 3.0的静电防护分为两部分：Vbus和兼容USB 2.0的一对差分线（D+ 和 D-）共用一片四引脚TVS防护模块（推荐选择最小反向击穿电压6V，结电容小于1pF的防护器件）进行防护 ；新增的两对差分线SSTX+/-和SSRX+/-共用一片六引脚TVS防护模块（推荐选择最小反向击穿电压4V，结电容小于0.5pF的防护器件）进行防护，如图 2 所示。
图2 USB 3.0接口电路静电防护设计
在满足静电放电防护要求的前提下，防护器件可根据布局布线、成本和防护等级合理选型，不必局限于以上推荐器件。
2.2 信号线EMI抑制
在保留原有的一对USB 2.0差分信号线基础上，USB 3.0新增两对并行的高速差分信号线实现高速传输。超高的传输速率使信号线EMI辐射更为严重，同时自身也更容易产生共模噪声，因此要抑制接口的EMI。
差分线上串接共模扼流电感可以有效抑制共模噪声。USB 3.0接口中兼容 USB 2.0 数据线的共模扼流电感可以沿用USB 2.0的器件，比如Sunlord公司的 C2W2012FS900MST, 或 MURATA 公司的 DLW21SN900SQ2 等。新增的两对差分线要求共模扼流电感有更高的截止频率、更小的插入损耗。USB 3.0 接口电路的信号滤波方案如图3所示。
图3 USB 3.0接口电路的信号滤波方案
共模扼流电感是抑制共模干扰信号的有效器件，市面上可供选择的厂家、型号很多。可根据实际情况合理选择。Vbus的EMI抑制通过电源的稳压滤波实现。
2.3 电源稳压滤波设计
USB电源Vbus采用LC滤波方式或 π 型滤波，如图4所示。USB 3.0 电源系统向每个端口提供的最大电流达1A，供电电压应该保持在5（1±0.05）V的范围 ,即接口供电电压4.75~5.25V, 因此从USB电源到USB连接器的压降一般不能超过0.25V，L1磁珠（或电感）上的压降一般不超过0.1V, 考虑到最大1A的供给电流，磁珠直流电阻要小于 0.1Ω，额定电流要大于1A。
图 4 USB接口电路Vbus限流滤波电路
综合考虑限流电路的通流能力和体积，选择磁珠的额定电流 5A，最大直流阻抗 0.01Ω。大电容 C1 的主要作用为电源储能稳压，容值 100μF，额定电压25V ；小电容 C2 的主要作用是滤波，容值为 0.1μF，额定电压16V。电容可选择普通的电解电容或陶瓷电容，电容的容值和个数根据情况灵活调整。
2.4 电源限流安全设计
USB 接口中的 Vbus 属于受限制电源， 根据IEC 60950:2007《信息技术设备安全通用要求》或最新的 IEC 62368:2014《音视频、信息和通信技术设备安全要求》，Vbus 的输出要满足标准中的输出限流要求。USB 电源限流设计目前主要有两种方案 ：在 Vbus 上串正温度系数的热敏电阻PTC，或采用专门的限流开关芯片。
电路正常工作时，PTC 温度与室温相近，电阻很小，串联在电路中不会阻碍电流通过 ；而当电路因故障出现过电流时，PTC 由于发热功率增加导致温度上升至超过开关温度时，电阻瞬间剧增，回路中的电流迅速减小到安全值，如图 4 所示。
限流开关芯片串接在电源与负载电路之间，由于采用了导通电阻为毫欧级的功率 MOSFET 作开关，引入的损耗极小。当负载电路有过负荷或短路情况发生时，限流开关芯片限制电流输出，保证电路的安全。一个限流开关芯片能够为一路或多路 USB 电源提供限流保护。
PTC 建议选择最大保持电流 2A，直流阻抗越小越好（PTC 的直流阻抗一般几毫欧左右）；限流芯片有多个厂家、型号可供选择，建议选择限流范围 1~5A 的限流芯片。
PTC 限流电路简单、成本低，但限流不准确，且受环境温度的影响 ；限流芯片限流比较精准、动作迅速、不受环境温度的影响，且一个芯片可同时提供多路 USB 的限流保护，但电路复杂，成本较高。
3 EMC和安全方案试验
图 1 中 USB 3.0 的 EMC 和安规设计方案已在多个产品上应用，测试验证结果充分证明了其有效性。
3.1 静电放电测试
USB 3.0 接口分别进行了带负载和不带负载两种情况下的静电标准测试验证，以及非标的耐受性测试。为进一步验证防护方案的有效性，又测试了去掉防护护器件后接口的静电耐受能力。
测试结果表明：USB 3.0 接口无论带负载（比如移动硬盘读写），还是不带负载（接口不插外设），静电放电防护方案都能满足接触放电 ±8kV、空气放电 ±15kV的要求。
信号线的静电耐受能力测试，是将 USB 3.0 接口的八根线（六根差分线、电源 Vbus 和 GND 各一根）通过线缆引出焊接到静电测试板上，用静电枪依次对每根信号线进行接触放电测试，静电测试等级由低到高进行 ；每根信号线测试后均去观察 USB 3.0 端口业务功能是否正常，业务功能正常的才判断通过测试，否则为不通过。
图 2 方案防护下的 USB 3.0 接口静电耐受性最高达 6kV。没有任何防护的 USB 3.0 接口静电耐受性最高1kV，静电测试 1.5kV 时 USB 损坏。
3.2 接口辐射发射测试
测试了四个 USB 3.0 接口的辐射发射，端口带移动硬盘，用测试工具对移动硬盘进行读写业务，具体情况如下 ：
（1）USB 3.0 带 USB 2.0 移动硬盘
（2）USB 3.0 带 USB 3.0 移动硬盘
USB 3.0 用于 USB 3.0 的外设，与 USB 端口辐射相关的频点主要是 5GHz。测试结果表明：在三对差分线上均加共模电感，5GHz 辐射降低 6dB 左右，满足ClassA 或 ClassB 的要求。
（3）展频技术
在满足信号完整性的前提下，采用开展频技术（目前越来越多的 CPU 和 IC 芯片支持开展频技术），5GHz辐射的降低非常明显，可降低 10dB 左右。如果系统开展频，可只在兼容 USB 2.0 的一对差分线 D+/- 上加共模电感，用于抑制 480 MHz 的辐射，新增的两对差分线可以不加。
USB 端口的电磁辐射，既与端口的原理方案设计有关，也与 PCB 的布局布线设计、结构设计及线缆等密切关联，要根据产品特点和应用环境合理选择 EMI 抑制方案。
3.3 接口限流电路测试
建议选取 PTC 最大保持电流 2A、最小动作电流4A、动作时间 1s@8A、直流阻抗 8mΩ。限流芯片采用限流范围 1.1~1.9 A，限流响应时间 0.6 ms。按照IEC 60950:2007 或 IEC 62368:2014 中对受限制电源的测试要求，对 USB 3.0 接口电路中的电源 PTC 限流方案和限流芯片方案分别进行了测试，测试结果表明两种方案都满足标准要求。
为比对限流芯片和 PTC 限流的特点、差异及影响负载启动的主要因素，又测试了两种限流方案的带载能力。USB 3.0 接口接一个电子负载，调整电子负载并观察 USB 3.0 接口 Vbus 的电压和电流变化情况。
设计超过 2 A 启动限流，测试结果表明 ：PTC 限流方案、限流芯片分别在实测电流达到 5 A、2.2 A 左右启动限流。可见 PTC 限流不准确，限流芯片比较精准、动作迅速，仅需几微秒。
总之，限流芯片和 PTC 均可用于 USB 3.0 电源的限流，都能满足相关安规标准的要求。测试中还发现 USB负载端电压很受外设线缆质量（线缆的阻抗差异很大）的影响，使用大电流驱动外设时，应尽量选用短而粗（阻抗小）的线缆，减少线缆上的压降，保证外设能正常工作。
4 结语
USB 接口的 EMC 和安全设计可根据实际使用需求，对每一部分的设计进行灵活选择和改动，以满足经济适用原则。
对静电防护，USB 3.0 接口的三对差分信号线上和电源 Vbus 上均要设计静电防护电路。
对辐射抑制，USB 3.0 接口兼容 USB 2.0 的一对差分线上加共模扼流电感，新增的两对差分线，可根据实际需求确定是否加共模扼流电感 ；如果端口辐射只需满足 Class A 要求，或系统采用了开展频技术，可不加共模扼流电感 ；如果 USB 3.0 接口连接的是安保设备，比如外接摄像头，USB 延长线较长，要加共模电感，等等。
Vbus 电源限流器件可根据用户需求选用，如果用户只使用鼠标、键盘等低速小功率设备，就选用 1 A 的限流器件 ；若用户使用高速大功率设备，比如光驱、移动硬盘，或需要给其他设备提供电源等，则选 2 A 的限流器件。PTC 和限流芯片都可作为限流器件，前者限流精准、速度快，但价格贵 ；后者受环境温度影响、动作慢，价格仅是限流芯片的十分之一。查看