USB 应用的电磁兼容性保护-中国电源产业网-新能源与电源官方网站

USB 应用的电磁兼容性保护

2018-11-27

中国电源产业网

导语：USB 端口彻底改变了 PC 外围设备，并变得越来越普及，例如，在计算机上获取测量数据或安装软件更新。作为数据传输的总线系统，在需要连接移动设备的地方随处可见 USB 端口。虽然日常生活中使用的连接器看似坚固，但是 USB 应用程序的开发人员仍不能忽视对其接口的保护。

端口保护

USB 端口彻底改变了 PC 外围设备，并变得越来越普及，例如，在计算机上获取测量数据或安装软件更新。作为数据传输的总线系统，在需要连接移动设备的地方随处可见 USB 端口。虽然日常生活中使用的连接器看似坚固，但是 USB 应用程序的开发人员仍不能忽视对其接口的保护。

甚至在英特尔的“高速 USB 平台设计指南”中都提出了人们对 USB 端口电磁敏感性的关注。英特尔建议将电流补偿扼流圈用于抑制电磁干扰以及将相关部件用于防止静电放电。电子元件会出现静电放电。因为静电放电脉冲电压高达 30 kV，所以会危害所有类型的集成电路。虽然目前一些集成电路对于静电放电是“安全的”，但这种安全只能在一小部分潜在威胁中得到保证。日常实践表明：额外的保护是不可或缺的。只有具有外部保护才是完整的无静电放电板，从而可研发高度可靠产品。专门的抑制措施同样有必要。无线连接电子设备在生活中无处不在，且数量还在持续增长。让自己的产品不受辐射干扰很重要。只有考虑到预期的干扰形式，才能将必要的抑制部件迅速融入到设计中并缩短研发时间。众所周知，我们也必须将自己的产品辐射干扰维持在一定水平以下。这是电磁兼容性测试实验室进行的非常精确的评估。如果产品未能通过此测试，则多次返工成本很快就会超过抑制部件的成本。

实际抗干扰性能

说到干扰对 USB 的影响，差模数据传输提供的优势明显优于简单的同轴电缆。在感应干扰效应（磁场）情况中，电线的缠绕可实现对干扰效应的补偿。由于各个双绞线的部分电感的对称化作用，干扰影响此消彼长。实际情况中此抗干扰能力会受到损害。

· 如果 USB 控制器的输入/输出不够对称，则 USB 信号显示出共模干扰。

· 布局并非高频/电磁兼容的寄生电容且波阻抗匹配的缺乏会产生共模干扰。

· 因为电路设计（USB 滤波器）不足，所以滤波器会影响信号质量和/或插入损耗太低。

· 接口设计（插座、壳体）不足。接地较差会降低电缆的屏蔽衰减。滤波器的接地基准欠佳。

· USB 电缆非对称，屏蔽不良，且接地不充分。电缆降低信号质量、辐射信号谐波且对外部干扰源没有充分的屏蔽衰减。

问题：上述部分情况无法去影响，其中包括购买的 USB 控制器的技术实现或者使用“廉价” USB 电缆的终端用户。因此，采取的保护措施必须能够保护接口，使其免受外部干扰影响，这些外部干扰可能会破坏 USB 控制器并限制通过电缆的信号的干扰辐射。

保护部件的选择

将防止静电放电定义为：按照 EN 61000-4-2 进行保护防止 ESD 脉冲、按照 EN 61000-4-5 进行保护防止浪涌脉冲以及按照 EN 61000-4-4 进行保护防止短 (EFT) 脉冲。瞬态电压抑制器 (TVS) 二极管必须满足这些功能。这里重要的是：为保护诸如 USB 的快速数据线使其免遭过电压，应采用 TVS 和低电容的陶瓷静电放电抑制器，以便不会出现 USB 信号失真的情况。为此，伍尔特电子研发的部件能够在此方面被精确优化以及在数据线上隐形。瞬态电压抑制器二极管的电容量必须低于 1 pF，而电容量小于等于 0.2 pF 的陶瓷 ESD 抑制器是保护 USB 端口的一个不错选择。

在选择部件时需要提出的几个问题：是否有针对轨对轨连接的电源电压（GND < 输入/输出信号 < Vcc）？选取瞬态电压抑制器二极管。是否有电源电压或陶瓷部件是否应是首选部件？在此情况下，必须为可浮置的 VDD 销或使用的静电放电抑制器选择瞬态电压抑制器二极管，如来自伍尔特电子的 WE-VE “ULC”系列的二极管。其它问题：预期的最大静电放电电压是多少？应保护一个还是两个 USB 端口？顺便提下，如果将一条 USB 数据线连接至瞬态电压抑制器二极管的两个输入/输出引线，则这么做总能提供更好的保护，这就是为什么最好采用瞬态电压抑制器二极管阵列的原因。

请勿忘记电源

对于端到端电磁兼容合规性设计，过滤电源也很重要 (VBUS)。许多开发人员忽略了这个问题，想知道为什么它们的产品不能通过 EMC 实验室中的测试。此处介绍的是针对一个或两个 USB 端口的两个优化设计。可采用一个瞬态电压抑制器二极管保护两条 USB 线。保护四条信号线以及公用电源，使其免遭静电放电。可通过设置带有一个电流补偿数据线扼流圈和电容器旨在的过滤输入时的共模和差模干扰的 LC 滤波器而实现再次优化。可采用 WE-CBF 系列的 SMD 铁氧体在电源处进行良好的抑制。（图 1）

图 1:具有静电放电保护的双端口 USB 端口

务必从信号线到地面连接诸如 WE-VE 系列的静电放电抑制器的单路保护部件。不得将低电容静电放电抑制器用于保护电源，此处一个标准的 SMD 压敏电阻已相当足够。这可吸收更高的能量和更高的峰值电流，所以是设计中的首选。（图 2）

图 2：与屏蔽数据线相比，电源无需低电容静电放电抑制器。

USB 端口的建议布局

正如图 3 所示，将两条不同信号线（D+ 与 D-）从插塞式连接器传送到 TVS 二极管，继续通过电流补偿数据线扼流圈，直至 USB 控制器。结果是获得了极佳的静电放电保护以及良好抑制了数据线对。通过瞬态电压抑制器二极管将 VBUS 传送到 SMD 铁氧体。在 SMD 铁氧体之后，可插入另一个电容器和另一个 SMD 铁氧体，从而获得 PI 滤波器的最大可能衰减。

图 3：USB 端口的保护

如果是非常灵敏的集成电路和/或高可靠性研发，则可通过双接触瞬态电压抑制器二极管（824 015 型号）管脚而实现最佳静电放电保护。（图 4）

图 4：USB 端口的双重保护

更喜欢单路保护元件的研发者可采用 WE-VE 系列静电放电抑制器。务必从 D+/D 到 GND 连接抑制器。此处所示为其它部件的连接。图 5

图 5：单路元件保护

结论

应避免电磁兼容合规性设计中的风险。必须排除威胁数据通信完整性的干扰 - 尤其是通过 USB 的数据传输。虽然电磁兼容性只是“锦上添花”的功能或在规范和标准中未作要求，但它却是一个衡量质量的重要特征。为在设计中尽早可靠排除电磁兼容性问题，应为快速数据线的特殊条件定制部件，这样做将减小研发工作量，尤其可避免因标准电容兼容测试的结果不理想而返工。（伍尔特电子技术营销负责人/作者：Jochen Baier）

编辑：编辑部

来源：《电源工业》杂志

标签：

上一篇：十种延长UPS续航的方法

相关信息

MORE >>

欧司朗“先进之光”点亮北京大兴国际机场

2019年6月，北京大兴国际机场正式落地并进入验收阶段。这个万众翘首以盼的 “全球最大” 的国际机场预计于9月底正式投入使用，届时这个 “凤凰” 展翅，势必会让全世界对中国基建的速度再次感叹。作为这个基建奇迹的参与者之一，欧司朗以节能数字化照明方案，助力北京大兴国际机场绽放先进之光。

用1.5米落差消灭电费比利时发明家用水电站 60户家庭免费用上100年

电力已是我们人类不可或缺的资源，它驱动着一切科技，点亮了我们的文明，就连你现在紧握着的这支智能手机，也完全离不开电力。

电力变压器故障原因及处理方法

针对电力变压器在运行中产生的故障的原因以及处理方法进行简要的分析，合理准确的对变压器发生故障排除，能够保证电力系统安全可靠运行起到重要作用。

地震也能照常运行的数据中心新设计

从17日地震开始到现在，长宁余震不断。据中国地震台网官方微博消息，截至6月19日8时整，共记录到2.0级及以上余震88次，其中5.0-5.9级2次，4.0-4.9级3次，3.0-3.9级18次，2.0-2.9级65次，目前最大余震为5.3级。这么长时间这么多次的余震，长宁牵动着全国人民的心，同时也让IDC从业者对防震有了更深刻的认识。而就在前不久，有一家名为RagingWire的数据中心运营商宣布将在硅谷建立一个具有复杂地震保护系统的数据中心设施，以保护人员和计算机的安全。

ADBC-N系列

随着环境技术的进步，二次电池的用途越来越多样化，二次电池作为当今创建低碳社会所不可缺的重要元素，其重要性在日益增加。尤其是车载用途上，小型化、高能量化等二次电池的性能要求更加突出。

防止由电源线引起的电压波动

当采用降压型稳压器或线性稳压器电源时，一般是将电压调节为设定值来为负载供电。在一些应用中 (例如，实验室电源或需采用较长电缆连接各种元件的电子系统)，由于互连线上存在各种电压降，因此无法确保在所需位置点始终提供准确的稳压电压。控制精度取决于许多参数。一个是负载需要连续恒定电流时的直流电压精度。另一个是生成电压的交流精度，这取决于生成的电压如何随负载瞬变而变化。影响直流电压精度的因素包括所需的基准电压 (可能是一个电阻分压器)、误差放大器的行为以及电源的一些其他影响因素。影响交流电压精度的关键因素包括所选的功率等级、后备电容以及控制环路的架构与设计。