USB端口的ESD防护电路设计

USB作为一种非常普及的接口，在各种电子终端设备上都有使用。作为硬件设计中的重点考虑项，ESD防护设计显得尤为重要，然而，在实际电路中，我们经常可以看到各种不同的防护设计方案，有些方案甚至彼此相反；在实际的ESD测试中，也会出现支持不同方案的各种结果。

针对USB端口的防护设计，最好这样来分开讨论：线路防护和壳体防护（有些非专业的同志喜欢笼统来看待，这样不利于正确地解决ESD问题）。实际上我们实际中碰到的绝大部分ESD问题都是外壳受扰所引起的，原因有二：一是USB接口采用了金属外壳，所以接口线路一般不会直接受到ESD能量的干扰；二是USB信号线本身有比较好的抗ESD特性，加上辅助的TVS等防护器件，使得信号线受扰的几率降到很低。
基于以上两点，我们先着重分析一下USB外壳的防护，再分析信号的本身的防护设计。

一、USB外壳的防护

首先，前面已经提到，所有的USB设备接口均为金属外壳，所以按照ESD测试标准，一般我们采用接触放电的方式，当然，也存在某些接口金属过于内缩，影响直接接触，这时则必须采用空气放电的方式，有时候放电方式的选择很重要。
接下来，我们需要熟悉一下ESD放电的回流路径，如下图：

在这里，顺便解释一下，同EMI分析一样，ESD问题也必须了解两点：一是搞清ESD能量的最小阻抗路径或主要路径；二是找出真正的ESD敏感点。

在实际的案例中，由于产品的形态各异，ESD的回流路径也会有很大不同，有些产品往往会有多个ESD回流的路径，上图中，ESD能量通过USB的金属壳体到达主板内部，然后大概会通过三种不同的通道来泻放，一是通过电源线泻放到地；二是通过体电容泻放到参考平面的地；三是通过高压电容和网络变压器，泻放到辅助设备上，再间接泻放到地。
那么，针对不同的泻放路径，作为设计者，我们可以做的就是控制各条路径的阻抗，让能量沿着远离ESD敏感点的低阻抗路径回到大地，这就是我们经常提到的两大手法：“堵”（增加阻抗）和“疏”（减小阻抗）。
下面拿一个典型产品来介绍，如下图：

该产品一般的配置如上图中描述，那么，当USB金属外壳引入ESD时，我们来具体分析一下各条泻放路径的阻抗：

1）沿电源线泻放。需要考虑的参数有：USB接口到电源接头的地的连续性；电源适配器线缆阻抗（一般很小，可以忽略不计）；电源适配器的对地电容大小（这个参数很关键）。2）通过PCB本身与地之间的体电容泻放。需要考虑的参数有：PCB的层数，上下层之间的连接阻抗等；PCB的大小，摆放方式及离地高度（决定了体电容的大小）。3）通过高压电容和网络变压器泻放。需要考虑的参数有：距离静电放电点的远近；高压电容本身的阻抗；辅助设备的接地阻抗等。
本案例中，电源适配器线缆的对地阻抗相对而言是最低的，因此大部分ESD能量会通过此路径泻放。其次是选择通过网线放电到电脑主机的方式，当然此时要考虑电脑主机本身是否接地良好，而且我们也不希望以这种与邻为壑的放电方式放电，它可能导致周边设备的损坏。而利用本身的体电容放电，对于接地设备而言一般影响在高频段范围内，能量比较弱。但对于完全浮地的设备则能起到至关重要的作用。综上所述，我们首先需要保证的是电源线部分的接地阻抗问题，即想方设法让静电能量通过电源适配器回路到地。
下面给出了一个典型的USB端口电路图和layout示意图：USD接口防护原理图

USB接口PCB图
整改实验过程很复杂，归纳如下：
实验步骤
整改方案
实验结果

1
原型机测试
空气放电8kV偶尔掉线，9kV以上频繁掉线。

2
去掉磁珠或将磁珠放到PCB的背面
结果无变化

3
在此基础上去掉高压电容
空气放电8kV正常，9kV/10kV以上掉线。

4
去掉USB的防护器件
结果无变化

5将高压电容就近跨接在USB外壳和电源端口的地之间
结果无改善

6去掉高压电容，并将USB的外壳地直接连到电源入口的地上
空气放电12kV以下没有问题。


由以上实验，可以分析得出以下结论：第一，通过体电容放电的方式对此产品无明显改善，估计这是因为存在更低回流的路径，使得体电容的影响变得非常小；第二，通过改变ESD的流向，使得大部分静电通过就近的电源端口到地，可以极大地改善ESD防护性能，保护内部电路。
接下来要研究的是ESD敏感点的排查。通常情况下，不同的产品，排查的难易度有很大区别。越复杂的PCB，排查起来越困难，具体方法在这里就不一一赘述了。仅列出几条防护设计要点出来，如下：
[*]关键信号线，敏感线等尽量远离ESD测试点走线，推荐在关键信号的芯片端加上去耦电容。
[*]关键信号线一般为复位，中断，控制线，在layout时要求靠近地或电源，并尽量走短线。
[*]很多情况下，ESD问题是由于浮地设备的地电位变化引起的，因此，在ESD敏感区域，应当注意电源和地的去耦设计，以防止ESD引起地和电源的电位变化。


综上实验分析，对于不同类型的产品，USB外壳的防护设计不尽相同，但是，我们仍然可以归纳出一些通用的经验：
[*]USB金属外壳地采用低阻抗方式连接到可能的回路上（如电源的地），最好直接采用零欧姆电阻或磁珠相连，而不要采用1nF的高压电容；
[*]金属外壳与主地之间采用隔离手段隔开；
[*]金属外壳地最好经由PCB的bottom层回流，因为一般的敏感器件在PCB的正面放置。



二、USB端口信号线的防护设计
众所周知，USB由四根信号线组成：5V的电源线，Data+，Data-，地线，下面给出了几个简单的防护电路设计图：

关注要点：1）对于5V电源线的防护，无论有没有防护器件，必须要在端口处加对地去耦电容，用于ESD的回流作用。2）对于一般数据线D+，D-，直接遭受大能量ESD的可能性比较低，尖端放电可能起不到作用，而差模尖端放电则更无必要。若有cost down需求，可将此处的防护器件去掉，或改为低成本的压敏电阻。3）USB的信号地线，一定要保证直接接地，而不要采用其他隔离方式（事实上此地线基本上不起到ESD防护作用，只是EMI回流而已）。


三、USB端口电源的设计要求
USB接口有host和slave之分，大部分产品的USB为host类型，即外接USB设备，并供给5V的直流电源。在这种情况下，对输出电源的纯净性提出了很高要求。以下典型案例进行说明：
案例问题说明：一个无线网关产品，通过USB接口外接数据卡设备，当采用USB1.1的数据卡时，连接没有问题；而换用USB2.0的高速数据卡时，则会出现找不到USB设备或者无法上网的问题，采用外接的5V电源供电，则不会出现此问题。另外，若在信号线D+，D-上加共模电感，问题也不会出现。
原因分析：由实验可知，干扰源在于USB的5V电源，电源的不干净影响到了USB数据线，使得设备掉线。接下来分析USB电路,首先列出USB端口电源的设计方案图，如下：

该电路中，12V输入电源通过DC/DC转换成5V电源后直接供给了USB端口，没有采用磁珠隔离措施。


而在PCB layout图中，可以发现，DC/DC输出后，经过电感和电容整流，但输出电容和输入电容相隔比较远，中间又有电感挖空的区域，使得回流路径不太通畅。

解决方案：① 在5V输出端增加一个磁珠到USB电源端口，滤除USB端口5V电源的杂波。② 采用人工飞线的方式把DC-DC的输入电容和输出电容的地连接起来，以减小回流路径。
实验证明，该方案可以解决USB2.0设备掉线的问题，在今后的设计中，我们需要特别注意USB端口电源的滤波问题，必须让USB设备提供一个比较纯净的电源。