現有眾多通訊電路和協定服務於廣泛的應用領域。由於這些電路在不同的設備之間傳輸和接收資料，因此設備介面的連接埠所面臨的外部威脅會危及到電路，包括雷電引起的電流超載和電壓瞬變、電場快速瞬變(EFT)，及靜電放電(ESD)。因此，這些電路需要採用保護措施以避免外部威脅造成的損壞，同時不能影響設備介面的傳輸協定。實施電路保護方案後，通訊電路必須可靠地傳輸未損壞的資料；而且，接收器必須準確地檢測和解碼資訊，以獲取完整的原始資料。
本文將提供重要建議，使電子設計工程師能夠保護高速傳輸介面，同時不妨礙傳輸和接收性能，也不會影響產品的尺寸限制。 與此同時，本文考慮四種通訊協定：不斷發展以提高速度的通用序列匯流排(USB)標準、高畫質多媒體介面(HDMI)、DisplayPort介面、外置式序列式先進附加技術(eSATA)。表1描述了這些標準的用途及現時的最大頻寬。
USB介面實現低延遲時間關鍵型功能
USB連接埠無處不在，包括在個人電腦、電腦周邊設備、電子測試和測量儀器，以及眾多其他產品上。USB介面也實現在電腦、智慧裝置和周邊設備之間輕鬆快速地進行連接。USB於1996年首次標準化，並且一直發展演進，不僅速度提升，提供更大的載電能力，可為電池供電設備進行充電。
USB開發者論壇(USB-IF)一直對USB標準進行升級，已推出了四個主要修訂版本[1]。有線USB標準從1.0版本開始，經過2.0版本、3.x版本的演進，目前已升級到修訂版本4(USB 4)。表2中列出USB 2.0到USB 4的各個版本，顯示了每個版本的最大傳輸量如何大幅增加。不同的資料速率使得USB連接埠能與各種設備進行連接，從低速的鍵盤到高速的視訊設備。設計人員可以充分利用通用介面的優勢，其中訊號線並非專用於一種設備的特定功能，還能設置USB介面，以實現針對時間關鍵型功能的低延遲特性，或者支援後台運行的大量資料傳輸。而該標準還定義USB標準1到3的供電(PD)版本；PD版本允許設備利用USB介面進行充電和供電；電源容量則從2.5W(5V@0.5A)增加到100W(20V@5A)。
USB連接器已經發展到能夠實現更高的資料速率和提供更大的電源。圖1顯示了用於各個USB標準版本的不同連接器接腳(Pin)配置和相對連接器尺寸，表3則顯示了每款連接器可以達到的最大資料速率。
圖1 針對不同USB標準的USB連接器設計
四通道TVS二極體陣列避免資料受衝擊
如圖2左上方圖所示，USB 2.0介面由一條VBUS電源線和兩條資料線組成。VBUS線可以從交流電源線接收電源，但會受到交流電源線上傳播的電流超載及電壓瞬變事件影響。因此，應當在VBUS線路上安裝自恢復保險絲以防止超載，在超載問題解決後，自恢復保險絲可重置，使電路可以繼續正常工作。聚合物正溫度係數(PPTC)保險絲是一種自恢復保險絲，其電阻因超載電流產生的熱量而大幅增加。PPTC保險絲的內部結構在超載時會發生變化，導致電阻增加。當元件裝置冷卻時，會恢復成低電阻結構。PPTC保險絲設計用於最大額定電壓通常為24V的低壓電路，其他特性包括，當電流低於保險絲的啟動電流額定值時，具有範圍從mΩ到約2Ω的低電阻；從100mA至9A的寬額定電流範圍；快速的跳脫動作；採用0402至2920尺寸的表面貼裝封裝，以節省空間；和UL零件認可和TUV認證。 為了保護由VBUS線路供電的電路免於受到電源線感應瞬變和ESD衝擊的影響，可以使用單向瞬態電壓抑制器(TVS)二極體陣列。不同型款的二極體陣列提供，例如安全吸收高達40A的電場快速瞬變電流和5A的雷擊電流；無論利用空氣或直接接觸，均可承受±30kV ESD衝擊；5V電路中的最大低漏電流為0.5µA；及節省空間的0201表面貼裝封裝。
圖2 推薦用於USB 2.0和USB 3.2介面的保護元件
為保護資料線免受可能破壞資料傳輸的電壓瞬變事件的影響，考慮使用四通道TVS二極體陣列以保護資料線，圖3所示的二極體陣列具有以下功能：利用空氣或直接接觸，安全吸收+22 kV ESD和-10 kV ESD衝擊；每個接腳的對地電容為0.3 pF，盡量減少對資料線的影響；10nA的低漏電流，實現最小的電路負載。因此，只需3個元件即可完全保護USB 2.0連接埠。
圖3 帶有齊納二極體的四通道TVS二極體陣列用於瞬態電壓保護
分立TVS二極體實現±12 kV ESD保護
如圖2右上所示，USB 3.2介面包括一條VBUS線和6條資料及控制線。正如上面針對USB 2.0介面討論的過電流和過電壓事件保護，因此推薦使用相同的元件來保護VBUS線路。為了保護6條資料線免於受到電壓瞬變的影響，考慮在每個連接埠上使用一個分立的TVS二極體陣列，其具備以下功能：
1.從電場快速瞬變中安全吸收高達40A的峰值電流
2.憑藉空氣接觸實現±18 kV ESD保護，以直接接觸實現±12 kV ESD保護
3.最大值為20nA的低漏電流
4.具有0.09pF接腳到接腳低電容，不會影響訊號完整性
使用分立的TVS二極體可以為高速USB連接埠提供更好的保護，並使用更低電容的元件，進而大幅度地減小對資料傳輸量的影響。
修訂PD防止高速USB 3.2/USB 4.0介面受瞬變影響
USB 3.2 Gen 2x1及更高版本要求使用Type-C連接器。從圖1可以看出，Type-C連接器是高密度連接器，由於灰塵和污垢可能進入其中，所以Type-C連接器可能容易受到觸點之間電阻短路的影響。由於電源接腳上的功率高達100W，因此有可能損壞連接器和相關電路。如圖4所示，使用配置通道(CC)線路上的數位溫度指示器保護USB Type-C連接器免受與電阻故障相關的發熱影響。CC線路上的數位溫度指示器可以在任何電源情況下提供準確的保護功能，例如從5W的最低水準直到USB Type-C連接器的最大容量100W。如要瞭解有關實施這項熱保護功能的更多詳細資訊，請參閱 USB Type-C標準[2]。
圖4 推薦用於USB 3.2和USB 4.0 Type-C介面的保護元件
為了防止瞬變事件影響，因此考慮使用不同型款的TVS二極體陣列。針對超高速系列(SuperSpeed)的USB介面，可考慮具有最低電容的TVS二極體陣列，可選擇具有低漏電流的TVS二極體陣列來保持低功耗特性，特別是對於VBUS線路；如果使用者的產品將用於汽車產業，請選擇符合AEC-Q101認證元件規範的TVS二極體陣列。AEC-Q101是汽車國際電子協會基於失效機制的分離式半導體應力測試認證規範[3]。
HDMI、DisplayPort/eSATA介面連接埠保護方案
在此建議高畫質多媒體介面(HDMI)、DisplayPort和eSATA介面連接埠採用類似的保護方案，因此這三種介面可以一起進行考慮。HDMI可將來自顯示控制器的高畫質視訊和數位音訊內容，接入視訊顯示裝置或音訊設備[4]。HDMI也被稱為高畫質電視標準，自2004年起便大行其道。目前最新的2.1版本標準能夠以最大48Gbps速率傳輸資料。
DisplayPort介面用於將視訊資料從視訊源傳輸到顯示裝置，例如PC顯示器。這種可以同時傳輸音訊和視訊的介面取代了VGA標準。DisplayPort於2006年首次推出，2.0版本的目標資料速率為77Gbps，預計將於2021年的後半年內完成。DisplayPort介面相容HDMI介面，視訊電子標準協會(VESA)負責維護DisplayPort標準[5]。
序列式先進附加技術(SATA)介面最初是由IBM為IBM PC/AT以並行格式開發的，進而定義了一款介面，現在它是磁碟機的業界標準介面[6]。2004年發展制定了外置式SATA(eSATA)標準，可為外部硬碟驅動器連接建立穩健的連接。
可使用單一元件類型保護這三種介面(如圖5所示)免受瞬變事件破壞，也就是四線TVS二極體陣列。圖6顯示了四線TVS二極體陣列的配置，這些TVS二極體陣列提供：
圖5 推薦用於HDMI、DisplayPort和eSATA介面的保護元件
圖6 用於抑制四條高速資料線上的電壓瞬變的TVS二極體陣列
1.僅0.2pF的超低電容，對傳輸眼圖影響不大
2.僅25nA漏電流，可實現最低功耗
3.利用空氣或直接接觸傳輸提供高達±20kV的ESD保護
4.採用SOD883封裝以節省PC板空間，並降低布線的複雜性
選擇合適保護元件製造商
要保護傳輸介面，需要選擇能保護電路而不會影響傳輸訊號的元件。幸運的是，這裡不需要使用很多的元件，只不過需要考慮的元件範圍很廣。用戶可以充分利用製造商的專業知識來設計和選擇保護元件，以節省寶貴的開發時間。製造商可以提供高成本效益解決方案的建議，保護用戶的設計免於受到電流超載，和電壓瞬變狀況的影響，以實現穩健可靠的設計，進而提高客戶產品在市場上的聲譽並降低保固期間內的服務成本。
(本文作者為Littelfuse電子業務部全球市場經理)