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USB 3.0接口电路的EMC和安全设计

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

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