TDK TVS元件可保障USB4®和Thunderbolt®4端口的信号完整性——高速数据线的保护和如何提供定制的ESD保护
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静电放电及其电气现象和保护
采用USB端口的外围设备非常普遍，并且其连接器容易暴露于静电放电 (ESD) 的环境现象中。这种情况下可能会损坏便携式设备内的敏感电子电路。解决这一问题的标准方法是在内部增加保护元件，即通过重定向过电流使其远离敏感的集成电路 (IC) 和吸收传输的能量，从而将更高的潜在破坏性的电压水平抑制在IC的阈值以下。这些保护装置在正常运行期间通常在电路中不可见，且不会损害被保护线路上的通信信号。
不同于已经上市很长时间并且已从其他协议中独立开发的USB 2.0及后续一直到USB 3.2，USB4®和Thunderbolt 3遵循相同的合规测试规范，即《USB4 电气合规测试规范》。不过从信号频率的角度来看，Thunderbolt 3信号和Thunderbolt 4信号是相同的，因此ESD保护解决方案也一样。实际应用中，这意味着为其中一种协议而设计的ESD保护解决方案也适用于另一种协议，因为通信线路中使用的频率是相同的。
USB Type-C连接器和TDK保护解决方案
USB开发者论坛 (USB-IF) 致力于推广最新的协议，旨在通过单一的USB4 Type-C®连接器提供显示、数据传输和加载/存储功能，同时保持与现有USB生态系统的兼容性，包括与Thunderbolt®产品的兼容性。USB4 Type-C® 连接器还支持替代模式 (Alt mode) 下的Thunderbolt 4 (TBT4)系统[参见www.usb.org]。该连接器的两侧采用镜像引脚，实现了正反可插拔，非常方便，因此被广泛采用。不过，这些引脚在日常使用中容易发生ESD事件，因此须采取适当的ESD保护措施。
下图显示了USB-C插头的24个引脚排布。最佳做法是将ESD保护装置尽可能靠近瞬态事件源的地方安装，即靠近连接器。这意味着需要小型化的过电压抑制装置，占板空间不能太大，但必须提供足够的保护。下面描述的24个连接器引脚中，有4个用于接地，无需保护。
插座接口[来源： www.usb.org]
USB Type-C插座接口(正视图)
| A1 | A2 | A3 | A4 | A5 | A6 | A7 | A8 | A9 | A10 | A11 | A12 |
| GND | TX1+ | TX1- | VBUS | CC1 | D+ | D- | SBU1 | VBUS | RX2- | RX2+ | GND |
| GND | RX1+ | RX1- | VBUS | SBU2 | D- | D+ | CC2 | VBUS | TX2- | TX2+ | GND |
| B12 | B11 | B10 | B9 | B8 | B7 | B6 | B5 | B4 | B3 | B2 | B1 |
由于USB Type-C 插头尖端的可逆设计，并且两侧的D+和D-引脚互为冗余，因此只需连接18个引脚。D-/D+引脚用于连接USB 2.0差分+/-引脚对。因此，当插座侧支持两个USB 2.0差分对引脚(位于上下两行)时，激活的引脚对由插头的朝向决定。
GND - 用于标记接地返回引脚，表示连接到PCB上的所有接地返回引脚。
Tx和Rx引脚用于高速数据，这种引脚的保护须慎重选择，因为这关乎线路上的信号完整性。
VBUS- 总线电源引脚，支持更高的电压和电流，可通过这些引脚快速充电。总线引脚的额定电压可达20V，电流可达5A，最大功率可达100W。
全功能USB Type-C插头（正视图）
| A12 | A11 | A10 | A9 | A8 | A7 | A6 | A5 | A4 | A3 | A2 | A1 |
| GND | RX2+ | RX2- | VBUS | SBU1 | D- | D+ | CC | VBUS | TX1- | TX1+ | GND |
| GND | TX2+ | TX2- | VBUS | VCONN | SBU2 | VBUS | RX1- | RX1+ | GND | ||
| B1 | B2 | B3 | B4 | B5 | B6 | B7 | B8 | B9 | B10 | B11 | B12 |
除了上文提及的USB Type-C端口的优点之外，USB PD(电源传输)协议还支持终端设备快速充电，并为终端用户提供更高的灵活性。USB PD规定的电压高达48 V，并能搭配扩展功率范围 (EPR) 电缆使用【参照《USB Type-C的电缆和连接器规范》，2021年5月】，详情如下所示：
| 工作模式 | 电压 | 电流 | 备注 |
|---|---|---|---|
| USB 2.0 | 5 V | 参见 USB 2.0 | |
| USB 3.2 | 5 V | 参见 USB 3.2 | |
| USB4 | 5 V | 1.5 A | 参见第5.3部分。 |
| USB BC 1.2 | 5 V | 1.5 A1 | Legacy USB充电 |
| USB Type-C电流@ 1.5A 5V | 5 V | 1.5 A | 支持更高功率的设备 |
| USB Type-C Current @ 3.0 A |
5 V | 3 A | 支持更高功率的设备 |
| USB PD | 最高可配置为48V | 最大可配置为5A | 方向控制和功率水平管理 |
备注 1 :
尽管USB BC 1.2规范允许供电电源被设计为支持0.5A到1.5A的电流水平，但USB Type-C规范要求支持USB BC 1.2的源端口至少能够提供1.5A的电流，同时力推USB Type-C电流@ 1.5A并支持USB BC 1.2供电电源端子。
CC（Configuration Channel）和SBU（Sideband Use），用于检测连接配置和其他支持备用（Alt）模式中的其他协议（例如HDMI协议）的Type-C连接器的附加用途的引脚。[参见USB.org]。这些引脚与VBUS和差分引脚（D+和D-如上图所示）一起被称为低速信号线引脚，而Tx/Rx引脚则连接到高速通信线。
这款USB Type-C 连接器也是欧盟充电器“万用”外围设备连接器的首选。欧洲议会通过颁布新的《无线电设备指令》来加强充电端口和快速充电技术的协调。新的指令在欧洲议会和理事会按照普通立法程序(共同决定)进行调整后，USB Type-C 连接器有望在24个月的过渡期后成为欧盟国家的标准充电器。[参考https://ec.europa.eu/commission/presscorner/detail/en/IP_21_4613］.
USB和充电的进一步标准化可参考IEC IEC 62680-1-2, Ed.5: 2021《数据和电源通用串行总线接口第1-2部分：通用组件 - USB电源传输规范》和IEC 63002, Ed.2: 2021《计算和消费电子设备用外部电源的互操作性规范和通信方法》
TDK新近推出的TVS（瞬态电压抑制）二极管就是专为满足上述应用需求而设计的。高速Tx/Rx引脚的保护需慎重ESD元件，因为选定的抑制器不仅要为ESD瞬态提供强大的过电压保护，而且在正常运行期间还不能损害线路上的信号。该信号使用的数据速率在USB4 20 Gbps端口最高达20gb /s，在USB4 40 Gbps端口则高达40gb /s，并且通常使用两对。这意味着单条线路的数据速率分别高达10 Gb/s和20 Gb/s。这些数据速率对应的频率大致可通过将数据速率减半来计算。因此，对于USB4使用的40 Gbps数据速率，对应的奈奎斯特频率为10 Ghz；而对于较慢的20 Gbps数据速率，对应奈奎斯特频率则为5 Ghz，详情如下表所示。
USB的数据速率和频率
| 总数据速率 | 数据速率/线 | 频率/线 | |
|---|---|---|---|
| USB 3.2 Gen1 | 5Gbps | 5Gbps | 2.5GHz |
| USB 3.2 Gen2 | 10Gbps | 10Gbps | 5GHz |
| USB 3.2 Gen2x2 | 20Gbps (2线) | 10Gbps | 5GHz |
| USB 4 20G | 20Gbps (2线) | 10Gbps | 5GHz |
| USB 4 40G | 40Gbps (2线) | 20Gbps | 10GHz |
信号完整性和保护方法
将ESD元件并联到数据线不可避免地会产生一些插入损耗，即导致信号质量下降。元件对信号的影响程度可使用对应信号的眼图来确认。当然，为确保元件不会降低信号质量，最好的做法是进行测量和评估。评估时，选用标准化电路，对比带和不带该元件时分别记录的信号测试的眼图。应准备两块相同的可处理高频信号的线路板。如下图所示，其中一块板安装ESD元件，另一个不安装该元件。
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不带元件的参考板
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带元件的参考板
两者施加相同的测试信号，并比较测量结果。
TDK的ULC TVS二极管已使用USB 3.2信号进行测试，并由USB认证的外部实验室——欧陆数字检测 (Eurofins Digital Testing) 实验室进行测量，获得USB 3.2信号测试和眼图认证，并随附如下对应的信号掩码：
USB 3.2 Gen 2眼图（每线10 Gbps，信号频率为5GHz）
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带元件
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不带元件（测试板参考）
可应要求提供完整的USB 3.2 Gen.2合规测试认证报告。
我们还针对最坏的场景进行了测试，即长通道测试。测试使用Standard-B插座，电缆长度为3米，并根据规范要求增加PCB痕迹。我们还对搭载Micro-B和Type-C产品的主机和设备执行了基于最差通道的测试。ULC产品线下的两款TDK TVS二极管都经过上述测试和评估，并且测试合格。保护元件顺利通过USB 3.2信号测试，意味着该元件能很好地保护高数据速率信号线路，能为线路上的其他元件提供充分的裕度，而且较低的数据速率也是如此。
TDK的ULC TVS二极管还使用USB4信号进行了测试。这些测试中采用了相同的方法，眼图如下所示。
20G眼图
| 20.0G (Rounded) | |
|---|---|
| TP2 直通板 01005 | TP2_带 TDK TVSD SD01005SL-ULC101 |
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| TP3 直通板 01005 | TP3_带 TDK TVSD SD01005SL-ULC101 |
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其中TP2和TP3点是USB规范中指定的，详情如下。
USB4 TX合规点定义
在上图的TP2和TP3点之间嵌入一个USB-C连接器（用S参数模拟）和一根无源电缆（假设电缆长度：10 Gbps数据速率为2m，20 Gbps数据速率为0.8 m）[参见www.usb.org]。
上述测试和眼图测量采用的测试信号为标称信号。在比较带和不带元件的板的两个测量值时，只能观察到最小的差异，即抖动值略有增加。测试结果表明，TDK的TVS ESD元件在所有测试信号条件下都测试合格。
TDK提供可靠TVS ESD保护二极管兼容 USB 3.2 10 G，以及USB4 20 G 和40 G信号。我们还能应客户要求为相关元件提供USB 3.2信号和USB4测试报告。
TDK的TVS ESD保护二极管兼容USB 3.2和USB4 40 G信号，并有两种尺寸供选择，体积小，非常适合狭小空间应用。EIA(美国电子工业联盟)尺寸为0201的SD0201SL-ULC101采用规定的“晶圆级芯片尺寸封装”(WL-CSP)瞬态电压抑制器 - TVS (SD0201SL-ULC101)，并且EIA尺寸为01005 的SD01005SL-ULC101也采用WL-CSP封装瞬态电压抑制器 - TVS (SD01005SL-ULC101)
凭借合理的衬垫布局，这两种二极管的PCB占板空间极小，并且采用超薄封装，不仅体积小，而且高度降低到100 μ m，因此是受限空间应用的理想选择。ESD保护通常是通过将元件与被保护电路并联来实现，也可以连接到线路的任何位置来保护IC。推荐的方法是将其连接到尽可能靠近干扰源的地方，比如将抑制器靠近连接器连接。通过这种方法，能最大限度降低可能产生的寄生电感。从可能的瞬态源开始，安装在ESD元件后面的所有元件都会受到保护。在此基础上，采用无引线的封装还能排除引脚的所有寄生电感。因此，SMD ESD保护装置非常适合上述应用。二极管动作快和小型SMD WL-CSP封装是ESD元件的两大明显优势。
从信号路径上看，有许多可能的插入损耗源，这可能会降低信号质量。其中包括扼流圈、共模扼流圈、电容器、电缆、插头和连接器等，信号线上的每个部分都会在某种程度上影响信号质量。ESD元件是重要的功能部件，对于保持IC安全，使其免受瞬态过电压的影响至关重要。查看最坏情况下的眼图中的数字，可以观察到裕度(下图紫色括号标记的地方)。除了ESD元件自带的插入损耗，这个裕度是可供开发人员使用的，表示可在线路中安装会带来额外插入损耗的元件。
B74111U0033M060_TVS01005SL datasheet
其他部件的插入损耗电容裕度
由于USB4和Thunderbolt 4遵守相同的《USB4电气合规测试规范》，因此测试结果同样适用于搭载Thunderbolt信号的线路。
产品组合
适用于上述USB Type-C 连接器引脚排布的完整保护解决方案如下所示。
| TDK型号 | B74121U0033M060 | B74111U0033M060 | B74121U0055M060 | B74111U0055M060 | B74121G0160M060 | B74121G0200M060 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 占板空间 |  |
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| 封装 | 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 |
| 工作电压 | 3.3 V | 3.3 V | 5.5 V | 5.5 V | 16 V | 20 V |
| 钳位电压 ITLP = 8A |
3.9 V | 3.8 V | 4.1 V | 3.9 V | 22 V | 26 V |
| 电容 1 MHz |
0.65 pF | 0.48 pF | 0.55 pF | 0.43 pF | 9 pF | 5.3 pF |
| ESD接触放电 | 15 kV | 15 kV | 15 kV | 15 kV | 15 kV | 10 kV |
| 保护的引脚 | Tx/Rx | Tx/Rx | D+/D-(Tx/Rx) | D+/D-(Tx/Rx) | VBUS (CCI SBU) | VBUS (CC / SBU) |
| 型号列表 |  |
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USB Type-C 连接器的引脚
点击瞬态电压抑制器TVS - 面向ICT、消费电子和高速应用的高性能TVS二极管的链接，可获取相应的数据表。
总之，TDK的TVS二极管具有先进的USB ESD保护性能，不仅能为敏感集成电路 (IC) 提供卓越保护，还能针对USB Type-C 端口引脚和其他应用提供定制保护。TDK的TVS二极管尺寸小，高度低，能最小化占板空间，并且保护时具有较低的钳位电压，不会干扰高数据速率的信号，比如测试所示的USB协议和其他高数据速率协议。
参考
关于USB 4.0规范的更多信息，敬请访问www.usb.org。
USB4®、USB Type-C®和USB-C®是USB标准化组织（USB-IF）的注册商标。 Thunderbolt®是苹果公司的注册商标。
