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USB應用的電磁相容保護設計

上網時間: 2015年06月08日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:電磁相容  靜電放電  濾波器  EMC  USB 

作者:Jochen Baier,Wurth Elektronik eiSos技術行銷主管

USB埠為PC週邊裝置帶來革命性進展,而且變得越來越流行,例如普遍用於擷取測量資料或在機器上安裝軟體更新等應用。USB可作為資料傳輸的匯流排系統,因此只要有行動裝置連接之處就有它的身影。雖然在日常生活中使用的連接器看起來非常結實,但USB應用開發人員仍然必須重視這些介面的保護。

在英特爾(Intel)的‘高速USB平台設計指南’中,甚至提高了考慮USB埠易感性因素的重要性。英特爾建議用電流補償型扼流圈抑制EMI,再用其它元件防止靜電放電(ESD)。電子產品經常遭受靜ESD損害。ESD脈衝電壓可能高達30kV,因此對所有類型的IC來說都是非常危險的。目前有些IC宣稱可‘安全地’避免ESD,但這種安全性只能確保一小部分潛在威脅。日常的實際運作顯示:額外的保護必不可少。只有採取額外的保護措施才能開發出整塊電路板不受ESD影響以及高度可靠的產品來。專用的抑制措施同樣也是必需的。無線連網的電子裝置如今已遍及各領域,其數量正與日俱增。

使產品設計不受輻射干擾的影響至關重要。只有考慮到預期的干擾形式,才能在設計中即時整合必要的抑制元件,進而縮短開發週期。由於產品的輻射型干擾也必須處於某種電平之下,才能通過EMC測試實驗室的精確評估。如果產品無法通過這種測試,那麼隨即重新設計開發的成本將高於抑制元件成本的好幾倍。

實際的抗干擾能力

在提到干擾對USB的影響時,差分模式資料傳輸提供較簡單同軸電纜更大的優勢。在電感干擾效應(磁場)的情況下,導線的絞合可以彌補干擾效應。鑒於每根雙絞線部分電感的對稱性,干擾會彼此影響補償效果。因此,這種抗干擾效果在實際應用中會大打折扣。

  •USB控制器的輸入/輸出不完全對稱,使USB訊號顯現共模干擾。

  •佈局與HF/EMC不相容,寄生電容和缺少波阻匹配則會產生共模干擾。

  •電路設計(USB濾波器)不充份,濾波器影響訊號品質和/或插入損耗太低。

  •介面設計(插座、外殼)不充份。不良的接地會減少電纜的遮罩衰減,以及造成濾波器的接地參考不足。

  •USB電纜不對稱、遮罩不良以及接地不充份。這種電纜會導致訊號品質退化、輻射訊號諧波,而無法為外部干擾源實現充份的遮罩衰減。

問題:其中一些點可能不受影響,包括外購USB控制器的技術建置,或終端用戶使用‘便宜的’USB電纜。因此必須採取一些預防性措施,防止介面受到外部干擾的影響,從而可能損壞USB控制器,以及透過電纜限制訊號的干擾輻射量。

保護元件的選擇

ESD保護的定義為:依照EN 61000-4-2標準防止ESD脈衝,依照EN 61000-4-5防止突波脈衝,以及依照EN 61000-4-4防止突發(EFT)脈衝。瞬態電壓抑制器(TVS)二極體必須滿足這些功能。重要的是:為了保護諸如USB等快速資料線免於過壓的破壞,應該使用具有低電容特性的TVS和陶瓷ESD抑制器,以免USB訊號失真。基於這個原因,W?rth Elektronik eiSos開發出專為此進行最佳化的元件,而且在資料線上是不可見的。TVS二極體的電容值低於1pF,電容值最高0.2pF的陶瓷ESD抑制器是保護USB埠的理想選擇。

在選擇元件時需要問幾個問題:有沒有軌到軌連接用的供電電壓(GND

進一步的問題:期望的最大ESD電壓是多少?應該保護一個還是兩個USB埠?有時一USB資料線會連接到TVS二極體的2個I/O引腳,這將產生更好的保護效果,同時,這也是為何優先使用TVS二極體陣列的原因。

(下一頁繼續:不要忘了電源)


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