USB 3.0接口电路的EMC和安全设计
EMC 设计与接口设计紧密相关，很多产品的 EMC 指标都是由合理的接口电路方案实现。通过对USB 3.0 接口 EMC 和安规设计要求的详细分析，从静电防护、信号线 EMI 抑制、电源限流及稳压滤波等方面提供了 USB 3.0 接口的 EMC 和安规设计全套解决方案。经试验验证，设计方案完全符合 CE 认证等对 USB 接口的 EMC 和安全要求。
USB（Universal Serial Bus）指“通用串行总线”。USB 接口是最普遍的通用外部数据接口之一，并已成为诸如便携式电脑、台式机、服务器等所有计算系统的标配接口。
随着集成电路的飞速发展以及人们对大容量数据、高传输速率的需求，全新的 USB 3.0 接口已得到广泛应用。USB 3.0 传输速率达 5Gbps，是 USB 2.0 的 10 倍，同时最大供电电流达 1A，这对线路的 EMC 和安全设计提出了更高要求。
1 EMC和安规系统方案
USB 3.0 接口采用高速差分信号传输方式，由于工作时信号高低电平的高速转换，接地层和电源层会产生很大的高频噪声，因此要设法消除高速信号上的共模噪声，保证信号的完整性。
用户热插拨 USB 外设时可能发生静电放电（ESD），离导电表面几厘米以内的地方也可能发生空气放电，这都可能损坏USB接口及芯片。另外USB接口中有5V供电电源，要对电源的能量进行有效的限制，防止电源故障造成人员伤害。
因此，USB接口电路设计的关键在于提高USB信号的传输质量、减小电磁干扰和提高抗静电干扰能力、保障供电电源的安全。图1为USB 3.0 接口电路的 EMC和安规系统设计方案。
图1 USB 3.0接口电路的EMC和安规系统方案
2 方案设计
2.1 静电防护设计
静电放电会造成瞬态过压现象，电源总线和数据总线上都有可能出现。因此 USB接口防护电路应包括两部分 ：信号的过压防护和电源Vbus的过压防护。对于高速数据信号，在数据线路上增加任何电容都可能造成信号波形失真，导致数据传输的中断和 / 或故障。这就对USB 3.0 接口上使用的静电放电防护器件提出了更高要求，既要能保护敏感电路，又不增加会导致信号质量降低的电容。
目前最常用的静电放电防护器件是瞬变电压吸收二极管TVS和钳位二极管组合的防护模块。下面推荐一种USB 3.0静电放电防护设计方案，根据USB 3.0要兼容USB 2.0的特性，USB 3.0的静电防护分为两部分：Vbus和兼容USB 2.0的一对差分线（D+ 和 D-）共用一片四引脚TVS防护模块（推荐选择最小反向击穿电压6V，结电容小于1pF的防护器件）进行防护 ；新增的两对差分线SSTX+/-和SSRX+/-共用一片六引脚TVS防护模块（推荐选择最小反向击穿电压4V，结电容小于0.5pF的防护器件）进行防护，如图 2 所示。
图2 USB 3.0接口电路静电防护设计
在满足静电放电防护要求的前提下，防护器件可根据布局布线、成本和防护等级合理选型，不必局限于以上推荐器件。
2.2 信号线EMI抑制
在保留原有的一对USB 2.0差分信号线基础上，USB 3.0新增两对并行的高速差分信号线实现高速传输。超高的传输速率使信号线EMI辐射更为严重，同时自身也更容易产生共模噪声，因此要抑制接口的EMI。
差分线上串接共模扼流电感可以有效抑制共模噪声。USB 3.0接口中兼容 USB 2.0 数据线的共模扼流电感可以沿用USB 2.0的器件，比如Sunlord公司的 C2W2012FS900MST, 或 MURATA 公司的 DLW21SN900SQ2 等。新增的两对差分线要求共模扼流电感有更高的截止频率、更小的插入损耗。USB 3.0 接口电路的信号滤波方案如图3所示。
图3 USB 3.0接口电路的信号滤波方案
共模扼流电感是抑制共模干扰信号的有效器件，市面上可供选择的厂家、型号很多。可根据实际情况合理选择。Vbus的EMI抑制通过电源的稳压滤波实现。
2.3 电源稳压滤波设计
USB电源Vbus采用LC滤波方式或 π 型滤波，如图4所示。USB 3.0 电源系统向每个端口提供的最大电流达1A，供电电压应该保持在5（1±0.05）V的范围 ,即接口供电电压4.75~5.25V, 因此从USB电源到USB连接器的压降一般不能超过0.25V，L1磁珠（或电感）上的压降一般不超过0.1V, 考虑到最大1A的供给电流，磁珠直流电阻要小于 0.1Ω，额定电流要大于1A。
图 4 USB接口电路Vbus限流滤波电路
综合考虑限流电路的通流能力和体积，选择磁珠的额定电流 5A，最大直流阻抗 0.01Ω。大电容 C1 的主要作用为电源储能稳压，容值 100μF，额定电压25V ；小电容 C2 的主要作用是滤波，容值为 0.1μF，额定电压16V。电容可选择普通的电解电容或陶瓷电容，电容的容值和个数根据情况灵活调整。
2.4 电源限流安全设计
USB 接口中的 Vbus 属于受限制电源， 根据IEC 60950:2007《信息技术设备安全通用要求》或最新的 IEC 62368:2014《音视频、信息和通信技术设备安全要求》，Vbus 的输出要满足标准中的输出限流要求。USB 电源限流设计目前主要有两种方案 ：在 Vbus 上串正温度系数的热敏电阻PTC，或采用专门的限流开关芯片。
电路正常工作时，PTC 温度与室温相近，电阻很小，串联在电路中不会阻碍电流通过 ；而当电路因故障出现过电流时，PTC 由于发热功率增加导致温度上升至超过开关温度时，电阻瞬间剧增，回路中的电流迅速减小到安全值，如图 4 所示。
限流开关芯片串接在电源与负载电路之间，由于采用了导通电阻为毫欧级的功率 MOSFET 作开关，引入的损耗极小。当负载电路有过负荷或短路情况发生时，限流开关芯片限制电流输出，保证电路的安全。一个限流开关芯片能够为一路或多路 USB 电源提供限流保护。
PTC 建议选择最大保持电流 2A，直流阻抗越小越好（PTC 的直流阻抗一般几毫欧左右）；限流芯片有多个厂家、型号可供选择，建议选择限流范围 1~5A 的限流芯片。
PTC 限流电路简单、成本低，但限流不准确，且受环境温度的影响 ；限流芯片限流比较精准、动作迅速、不受环境温度的影响，且一个芯片可同时提供多路 USB 的限流保护，但电路复杂，成本较高。
3 EMC和安全方案试验
图 1 中 USB 3.0 的 EMC 和安规设计方案已在多个产品上应用，测试验证结果充分证明了其有效性。
3.1 静电放电测试
USB 3.0 接口分别进行了带负载和不带负载两种情况下的静电标准测试验证，以及非标的耐受性测试。为进一步验证防护方案的有效性，又测试了去掉防护护器件后接口的静电耐受能力。
测试结果表明：USB 3.0 接口无论带负载（比如移动硬盘读写），还是不带负载（接口不插外设），静电放电防护方案都能满足接触放电 ±8kV、空气放电 ±15kV的要求。
信号线的静电耐受能力测试，是将 USB 3.0 接口的八根线（六根差分线、电源 Vbus 和 GND 各一根）通过线缆引出焊接到静电测试板上，用静电枪依次对每根信号线进行接触放电测试，静电测试等级由低到高进行 ；每根信号线测试后均去观察 USB 3.0 端口业务功能是否正常，业务功能正常的才判断通过测试，否则为不通过。
图 2 方案防护下的 USB 3.0 接口静电耐受性最高达 6kV。没有任何防护的 USB 3.0 接口静电耐受性最高1kV，静电测试 1.5kV 时 USB 损坏。
3.2 接口辐射发射测试
测试了四个 USB 3.0 接口的辐射发射，端口带移动硬盘，用测试工具对移动硬盘进行读写业务，具体情况如下 ：
（1）USB 3.0 带 USB 2.0 移动硬盘
USB 3.0 用于 USB 2.0 的外设，与 USB 端口辐射相关的频点主要是 480MHz。测试结果表明：只在 USB 3.0中兼容 USB 2.0 的一对差分线 D+/- 上加共模电感，可以满足 EN 300386:2008《通信设备电磁兼容要求》或CISPR 22:2006《信息技术设备的无线电骚扰限值和测量方法》中ClassA 或 ClassB 的要求。D+/- 上加共模电感后，480MHz 的辐射可以降低 6~10dB。
（2）USB 3.0 带 USB 3.0 移动硬盘
USB 3.0 用于 USB 3.0 的外设，与 USB 端口辐射相关的频点主要是 5GHz。测试结果表明：在三对差分线上均加共模电感，5GHz 辐射降低 6dB 左右，满足ClassA 或 ClassB 的要求。
（3）展频技术
在满足信号完整性的前提下，采用开展频技术（目前越来越多的 CPU 和 IC 芯片支持开展频技术），5GHz辐射的降低非常明显，可降低 10dB 左右。如果系统开展频，可只在兼容 USB 2.0 的一对差分线 D+/- 上加共模电感，用于抑制 480 MHz 的辐射，新增的两对差分线可以不加。
USB 端口的电磁辐射，既与端口的原理方案设计有关，也与 PCB 的布局布线设计、结构设计及线缆等密切关联，要根据产品特点和应用环境合理选择 EMI 抑制方案。
3.3 接口限流电路测试
建议选取 PTC 最大保持电流 2A、最小动作电流4A、动作时间 1s@8A、直流阻抗 8mΩ。限流芯片采用限流范围 1.1~1.9 A，限流响应时间 0.6 ms。按照IEC 60950:2007 或 IEC 62368:2014 中对受限制电源的测试要求，对 USB 3.0 接口电路中的电源 PTC 限流方案和限流芯片方案分别进行了测试，测试结果表明两种方案都满足标准要求。
为比对限流芯片和 PTC 限流的特点、差异及影响负载启动的主要因素，又测试了两种限流方案的带载能力。USB 3.0 接口接一个电子负载，调整电子负载并观察 USB 3.0 接口 Vbus 的电压和电流变化情况。
设计超过 2 A 启动限流，测试结果表明 ：PTC 限流方案、限流芯片分别在实测电流达到 5 A、2.2 A 左右启动限流。可见 PTC 限流不准确，限流芯片比较精准、动作迅速，仅需几微秒。
总之，限流芯片和 PTC 均可用于 USB 3.0 电源的限流，都能满足相关安规标准的要求。测试中还发现 USB负载端电压很受外设线缆质量（线缆的阻抗差异很大）的影响，使用大电流驱动外设时，应尽量选用短而粗（阻抗小）的线缆，减少线缆上的压降，保证外设能正常工作。
4 结语
USB 接口的 EMC 和安全设计可根据实际使用需求，对每一部分的设计进行灵活选择和改动，以满足经济适用原则。
对静电防护，USB 3.0 接口的三对差分信号线上和电源 Vbus 上均要设计静电防护电路。
对辐射抑制，USB 3.0 接口兼容 USB 2.0 的一对差分线上加共模扼流电感，新增的两对差分线，可根据实际需求确定是否加共模扼流电感 ；如果端口辐射只需满足 Class A 要求，或系统采用了开展频技术，可不加共模扼流电感 ；如果 USB 3.0 接口连接的是安保设备，比如外接摄像头，USB 延长线较长，要加共模电感，等等。
Vbus 电源限流器件可根据用户需求选用，如果用户只使用鼠标、键盘等低速小功率设备，就选用 1 A 的限流器件 ；若用户使用高速大功率设备，比如光驱、移动硬盘，或需要给其他设备提供电源等，则选 2 A 的限流器件。PTC 和限流芯片都可作为限流器件，前者限流精准、速度快，但价格贵 ；后者受环境温度影响、动作慢，价格仅是限流芯片的十分之一。