通用串行总线的保护

通用串行总线的保护

     通用串行总线（USB）己经用於机顶盒和家用网关这类数字式消费类装置与个人电脑及各种外围设备之间的连接（图1）。数字式消费类产品必须符合EMI标准的规定，例如FCC第15章，或者CISPR 22。利用USB，可以在带电状态下把设备插到主机上，或者把它从主机上拔下来，而不必重新启动系统，这是它的优点。但也正是由於USB系统可以在带电状态下插入或拔出，使用者会经常地接触USB系统，於是就可能出现很强的静电放电（ESD），因而损坏设备。根据ESD的有关标准，所有的消费类产品都必须通过IEC61000测试。采用USB1.1标准的技术，传送数据的速度有低速（1.5Mb/s）和全速（12Mb/s）两种，取决於具体应用所需要的数据传送速度。由於数据传输速度会高达12 Mb/s，在USB电缆与USB芯片之间应当做到阻抗匹配。
    
    　　用USB把设备完美地连接起来，从设计的角度看，需要具有EMI滤波功能，能够避免ESD影响设备正常工作或造成损坏，同时实现阻抗匹配。本文介绍可以达到这些目的，使机顶盒和家用网关能够通过有关EMC及ESD法规所要求的测试的保护器件及其应用。
    
     EMI滤波及ESD保护
    
     USB保护器件必须符合压制EMI或RFI噪声的FCC标准（FCC第15章的A类及B类规范）和CISPR标准（CISPR标准22的A类及B类规范）。为此，需要用滤波电容器来压制USB控制器产生的高频噪声。所以，在保护器件中应当包含滤波电容器，以压制EMI。ESD保护器件必须符合IEC制定的ESD标准中IEC61000-4-2第四级的要求（± 15kV），这是IEC61000-4-2标准中要求最严格的, 以保护数据线不致因ESD而造成损坏。
    
     终端匹配电阻
    
    　　由於数据传输速度会高达12 Mb/s，在USB电缆与USB芯片之间应当做到阻抗匹配，应当把匹配电阻和保护器件放在一起，以实现阻抗匹配，它包含上拉电阻器及下拉电阻器。根据USB标准，要求电缆的特徵阻抗为90Ω ± 15 %。对於差动总线，这就要求每一根线的终端电阻为45Ω。现在，市面上提供的CMOS驱动器的输出阻抗都低於45Ω，所以，在驱动器的输出端就必须接一只终端电阻Rt，以便总阻抗达到45Ω。
    
     新的USB保护器件
    
    　　综上所述，USB保护器件中应当包含EMI滤波电容器、ESD保护器件，以及终端匹配电阻。意法半导体公司推出的USBDFxxW5系列和USBUFxxW6系列便是达到这些要求的USB保护元件。它具有以下优点：节省电路板的空间，线路的终端电路紧凑，同时，由於把这几种功能都放在一个器件中，也改善了EMI滤波性能、提高了可靠性。USBDFxxW5系列是用於保护处於下游的集成电路，而USBUFxxW6系列则是用於保护处於上游的集成电路。USBDFxxW5和USBUFxxW6是用意法半导体公司的IPAD技术制造。这些器件中包含一47pF的滤波电容器Ct以便能够工作在全速和低速两种模式。在用於下游的USBDF01W5和USBDF02W5中，匹配电阻器Rt分别为33Ω和15Ω，采用5脚SOT323封装；用於上游的USBUF01W6中，电阻Rt为33Ω，采用6脚SOT323封装。
    
    

    
     IPADTM技术
    
     这些USB保护器件是单片半导体集成电路，是用意法半导体的无源元件及有源元件集成技术实现的。对於用户来讲，用这项技术生产的产品的优点是：可以节省电路板的空间；由於减少了元件数量从而提高了可靠性；与使用分立元件的普通方案相比，滤波性能也好得多。图2是USBDFxx的频率响应的实例。与使用分立元件的方案比较，USBDFxx和USBUFxx的接地效果比较好，寄生电感很小（频率响应比较平滑，特性也控制得很好）。与使用分立元件的方案相比，USBDFxx和USBUFxx的电阻匹配精度在2 % 的范围内，可以把电路平衡得更好，而且可以节省印制电路板的面积超过50 %。
    
    
    
    
     在USB机顶盒及家用网关中的应用
    
     在机顶盒上的USB端口通常是称作下游端口。它们用於连接音频外设、互动外设、游戏机、智能卡阅读器、打印机及数字照相机等设备（图1）。USBDFxxW5放在主板上，它的位置应当尽量地靠近USB芯片，这是为了更有效地保护这些芯片。此外，USBDFxxW5中还包含USB1.1标准所推荐的终端匹配电阻。
    图3是在USB家用网关上实施保护的例子。在家用网关上的USB端口有两种。它们是用於连接打印机这类外围设备，或者连到个人电脑或者机顶盒上。它需要连接到下游设备上，也需要连接到上游设备去。这时USBDFxxW5和USBUFxxW6都是放在主板上，应当尽可能地靠近USB芯片，以便家用网关能够成功地通EMC法规中所要求的测试。
    
    
    
     高速USB与低速USB
    
     针对USB工作在高速和低速两种模式，可以在外围设备那一侧，改变上拉电阻器的位置来做到。全速器件是用上拉电阻器接到数据线的D+那端，对於低速器件，则是把上拉电阻器接到数据线中D-那端上。USBUFxxW6可以用於这两种模式。对於全速模式，必须把D+接在脚1与脚6之间（图4），而对於低式模式，D-必须接在脚1和脚6之间（图5）。