AT32讲堂014 | AT32 MCU USB接口ESD防护设计指南
概述
usb接口的可热插拔特性会容易受静电损坏器件，造成死机、烧板、掉线等。在usb接口上设计esd保护是必要的，usb esd设计需要满足js-001-2017（hbm）和iec61000-4-2两个标准。hbm要求设备usb接口能够承受高达2 kv的放电，图1和表1为js-001-2017标准测试波形和等级分类。图2和表2为iec61000-4-2标准测试波形和等级分类。图1. js-001-2017标准测试波形
表1. js-001-2017标准等级分类
图2. iec61000-4-2标准测试波形
表2. iec61000-4-2标准等级分类
esd保护设计要点
在usb接口设计时建议加入esd保护器件并加入vbus侦测电路检测过压。设计要点列出如下：
esd保护器件应尽量靠近usb插座接口放置（esd进入点）vbus、usb数据线（usb_d+/usb_d-）、id（若为otg）都要进行esd保护图3. usb esd保护电路
vbus的走线尽量远离d+/d-usb插座金属壳要与设备外壳地可靠连接设备不需要vbus提供电源时，可通过电阻分压后连接于at32的非5 v耐压的一般gpio，或直接连接于5 v耐压的gpio，作为vbus侦测信号图4. vbus侦测电路
esd保护器件的选择
usbfs的传输速率达到12 mbps，一般选用tvs阵列管来实现esd防护。当esd事件到来时，tvs中的二极管会正向导通，使得瞬态电流绕过敏感的cmos器件，将瞬态高压降低到钳位电压值，进而实现对接口电路的保护。
钳位电压
在esd事件到来时，保护器件对高压脉冲钳制到钳位电压，并且分流大部分脉冲电流到地，以保护后端敏感器件。但是，仍然会有残余电流流入受保护器件，esd事件期间的峰值电流是通过esd保 护器件的分流电流与流入受保护器件的残余电流之和。受保护器件承受的功率取决于esd保护器件的钳位电压和流入的残余电流。
钳位电压可用以下公式计算：
钳位电压（vcl）=vbr+io（残余电流）x ro（受保护器件电阻）
在选择esd保护器件钳位电压时，设计人员必需了解使用何种测试设置来确定数值。根据iec61000-4-2 level 4标准，esd脉冲具有少于1 ns的上升时间和小于100 ns的持续时间，以及30 a峰值电流。具有5 v钳位电压的esd保护二极管可能在实际的esd测试中出现超过30 v的钳位电压。如果不了解这一点，设计人员可能会仅仅根据数据表中最低钳位电压来选择esd保护器件。
信号完整性
在数据传输系统中要求确保接收器达到一定的信号完整性水平，信号的上升、下降时间是由整个传输路径阻抗来限制的，并且结合了接口的所有寄生电容。这些寄生电容可能由不匹配的pcb线路、usb插座引脚或其它并联电容引起，因此要求esd保护器件的电容必须小，并且也要能提供足够的esd防护能力。
关于雅特力雅特力科技于2016年成立，是一家致力于推动全球市场32位微控制器(mcu)创新趋势的芯片设计公司，专注于arm cortex-m4/m0+的32位微控制器研发与创新，全系列采用55nm先进工艺及arm cortex-m4高效能或m0+低功耗内核，缔造m4业界最高主频288mhz运算效能，并支持工业级别芯片工作温度范围（-40°~105°）。雅特力目前已累积相当多元的终端产品成功案例：如微型打印机、扫地机、光流无人机、热成像仪、激光雷达、工业缝纫机、伺服驱控、电竞周边市场、断路器、adas、t-box、数字电源、电动工具等终端设备应用，广泛地覆盖5g、物联网、消费、商务及工控等领域。
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表1. js-001-2017标准等级分类
图2. iec61000-4-2标准测试波形
表2. iec61000-4-2标准等级分类
esd保护设计要点
在usb接口设计时建议加入esd保护器件并加入vbus侦测电路检测过压。设计要点列出如下：
esd保护器件应尽量靠近usb插座接口放置（esd进入点）vbus、usb数据线（usb_d+/usb_d-）、id（若为otg）都要进行esd保护图3. usb esd保护电路
vbus的走线尽量远离d+/d-usb插座金属壳要与设备外壳地可靠连接设备不需要vbus提供电源时，可通过电阻分压后连接于at32的非5 v耐压的一般gpio，或直接连接于5 v耐压的gpio，作为vbus侦测信号图4. vbus侦测电路
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钳位电压可用以下公式计算：
钳位电压（vcl）=vbr+io（残余电流）x ro（受保护器件电阻）
在选择esd保护器件钳位电压时，设计人员必需了解使用何种测试设置来确定数值。根据iec61000-4-2 level 4标准，esd脉冲具有少于1 ns的上升时间和小于100 ns的持续时间，以及30 a峰值电流。具有5 v钳位电压的esd保护二极管可能在实际的esd测试中出现超过30 v的钳位电压。如果不了解这一点，设计人员可能会仅仅根据数据表中最低钳位电压来选择esd保护器件。
信号完整性
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关于雅特力雅特力科技于2016年成立，是一家致力于推动全球市场32位微控制器(mcu)创新趋势的芯片设计公司，专注于arm cortex-m4/m0+的32位微控制器研发与创新，全系列采用55nm先进工艺及arm cortex-m4高效能或m0+低功耗内核，缔造m4业界最高主频288mhz运算效能，并支持工业级别芯片工作温度范围（-40°~105°）。雅特力目前已累积相当多元的终端产品成功案例：如微型打印机、扫地机、光流无人机、热成像仪、激光雷达、工业缝纫机、伺服驱控、电竞周边市场、断路器、adas、t-box、数字电源、电动工具等终端设备应用，广泛地覆盖5g、物联网、消费、商务及工控等领域。
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