Перейти к содержанию

Защита USB и входов микроконтроллера от электростатики

Разряд с пальца на разъём — это десятки ампер за наносекунду, а выводы микроконтроллера выдерживают только заводские испытания на 2 кВ. Разбираем, как защитить линии USB и обычные входы TVS-сборками: какую ёмкость допускает USB 2.0, зачем перед выводом резистор и почему разводка у разъёма важнее выбора микросхемы.

Обновлено Редакция GAW

Содержание

Электростатический разряд (ESD) — импульс тока, когда заряженный человек касается разъёма или корпуса. Испытание по IEC 61000-4-2 на уровне 4 — это 8 кВ контактным разрядом: ток около 30 А нарастает за 0,8 нс (TI SLVA680A, рис. 1-1). Для сравнения: выводы STM32F103 испытаны на 2000 В по модели человеческого тела и 500 В по модели заряженной микросхемы (DS5319, табл. 33) — это защита при сборке платы, а не от пользователя. Разряд с разъёма должна принять внешняя TVS-сборка и увести в землю раньше, чем он дойдёт до микроконтроллера. Общие принципы защиты от перенапряжений — в статье «Защита питания».

Коротко

IEC 61000-4-2, уровень 4
8 кВ контакт, ≈ 30 А за 0,8 нс
Вывод STM32F103
HBM 2000 В, инжекция ±5 мА
USB FS, устройство
до 100 пФ на линию
USB HS
импеданс 70–110 Ом по TDR, TVS ≈ 1–2 пФ
USBLC6-2 / TPD2E2U06 / PRTR5V0U2X
3,5 / 1,9 / 1,5 пФ макс.
GPIO
TVS у разъёма + 1 кОм перед выводом

Как работает TVS-сборка

TVS-диод при рабочем напряжении почти не проводит — утечка единицы-десятки наноампер, — а при превышении пробивается и замыкает линию на землю. Напряжение, которое при этом увидит защищаемая микросхема, TI в SLVA680A записывает так:

VESD=VBR+RDYNI+LdIdt,V_{ESD} = V_{BR} + R_{DYN} I + L \frac{dI}{dt},

где I — ток разряда, L — индуктивность дорожек на его пути.

Первые два слагаемых задаёт сама сборка: у TPD2E2U06 пробой 6,5–8,5 В и динамическое сопротивление 0,5 Ом, на импульсе 5 А напряжение ограничения — 12,4 В. Третье — разводка: при 30 А за 0,8 нс скорость нарастания тока 4·10¹⁰ А/с, и каждые 0,25 нГн индуктивности дорожки добавляют 10 В (SLVA680A, разд. 2.1).

ST в даташите USBLC6-2 показывает масштаб на примере (разд. 2.1–2.2). Разряд 8 кВ через 330 Ом — 24 А; сама сборка ограничивает его на +31,2 В. Но если к выводам I/O и GND сборки ведут дорожки 10 мм шириной 0,5 мм, это около 6 нГн каждая, и на фронте 24 А/нс на них падает по 144 В — итого 319 В на линии. Сборка та же, разница — в разводке.

USB: схема

Защита линий USB микросхемой USBLC6-2 у разъёмаЛинии D− и D+ разъёма USB проходят через микросхему защиты DA1 USBLC6-2SC6: D− входит в вывод 1 и выходит из вывода 6, D+ входит в вывод 3 и выходит из вывода 4. Вывод 5 подключён к VBUS разъёма, вывод 2 — к общему проводу рядом с контактом GND разъёма. После микросхемы защиты D− идёт на вывод PA11 (USBDM) микроконтроллера STM32F103, D+ — на PA12 (USBDP); D+ подтянута резистором R1 1,5 кОм к 3,3 В. Микросхему ставят вплотную к разъёму.XS1USBVBUS1D−2D+3GND4VBUSDA1USBLC6-2SC6I/O11GND2I/O23I/O16VBUS5I/O24у разъёма, ≤ 3,5 пФ на линиюVBUSR11,5 кОм+3,3 ВSTM32F103PA11 USBDMPA12 USBDP

USBLC6-2 в корпусе SOT23-6L сделана проходной: линия D− входит в вывод 1 и выходит из вывода 6, D+ — в вывод 3 и из вывода 4, VBUS подключён к выводу 5, общий провод — к выводу 2. Внутри — диоды от каждой линии к VBUS и к земле и TVS-диод между VBUS и землёй. Микросхема защищает и сами линии данных, и питание шины.

Для STM32F103 USB работает на полной скорости, 12 Мбит/с (DS5319: интерфейс сертифицирован USB-IF для Full Speed). Линия D+ подтянута резистором 1,5 кОм к 3,0–3,6 В — этого требует DS5319 (табл. 45, примечание 2), чтобы хост опознал устройство полной скорости.

USB: сколько ёмкости можно добавить

Защитная сборка добавляет ёмкость на каждую линию, и бюджет у USB ограничен.

Режим USB 2.0Что нормирует спецификация (разд. 7.1.6)
Full Speed, устройство с отсоединяемым кабелемдо 100 пФ на D+ и D−: до 75 пФ сосредоточенной у трансивера и разъёма плюс 25 пФ линии; разница D+ и D− меньше 10 %
Full Speed, устройство с несъёмным кабелемдо 75 пФ сосредоточенной ёмкости в самом устройстве
High Speed, 480 Мбит/симпеданс по рефлектометру: 70–110 Ом на проходе, 80–100 Ом окончание; ориентир для трансивера — до 10 пФ на линию, разница до 1,0 пФ

На полной скорости ёмкость защиты почти не заметна: USBLC6-2 добавляет до 3,5 пФ, вывод STM32F103 — 5 пФ (DS5319, табл. 36), вместе с дорожкой это далеко от 100 пФ. Спецификация отдельно не рекомендует ферритовые бусины на линиях данных Full Speed.

На 480 Мбит/с правило другое: линия должна сохранить волновое сопротивление, и каждый пикофарад у разъёма — провал импеданса на рефлектограмме. Nexperia прямо пишет, что USB 2.0 на 480 Мбит/с требует сверхмалой ёмкости защиты (PRTR5V0U2X, разд. 10). Сравнение по даташитам:

СборкаЁмкость линии, тип./макс.¹Разница линийРабочее напряжениеПредельно по IEC 61000-4-2²
ST USBLC6-22,5 / 3,5 пФ0,015 пФдо 5,25 В (утечка до 150 нА)15 кВ контакт, 15 кВ воздух
TI TPD2E2U061,5 / 1,9 пФдо 0,1 пФдо 5,5 В±25 кВ контакт, ±30 кВ воздух
Nexperia PRTR5V0U2X1 / 1,5 пФ—до 5,5 В±8 кВ контакт

¹ Ёмкость измерена при разном смещении: у USBLC6-2 при 1,65 В, у TPD2E2U06 при 2,5 В, у PRTR5V0U2X при 0 В. ² По таблицам предельных значений: DS4260 табл. 1, SLLSEG9C разд. 6.2, PRTR5V0U2X табл. 5. На соответствие уровню 4 (8 кВ контакт, 15 кВ воздух) производители испытывают все три.

Все три производитель относит к USB 2.0, включая High Speed. Для Full Speed подходит любая.

GPIO: схема

Защита входа GPIO: TVS у разъёма и резистор перед выводомВход с разъёма XS1 идёт к выводу PA0 микроконтроллера STM32F103 через резистор R1 1 кОм. У самого разъёма к линии подключён канал IO1 (вывод 3) микросхемы защиты DA1 TPD2E2U06, её вывод 4 GND соединён с общим проводом разъёма. Разряд уходит через DA1 на общий провод, а резистор R1 ограничивает остаточный ток, который доходит до защитных диодов вывода.XS1:1DA1TPD2E2U06IO13GND4XS1:2R11 кОмSTM32F103PA0у разъёма

Вход с разъёма — кнопка, датчик, линия к другой плате — защищают так же: канал TVS-сборки у самого разъёма, а перед выводом микроконтроллера — последовательный резистор R1. Здесь один канал TPD2E2U06; второй (вывод 5) защищает соседнюю линию.

Зачем резистор. Сборка ограничивает напряжение линии, но не до напряжения питания микроконтроллера: на импульсе 5 А у TPD2E2U06 остаётся 12,4 В. Этот остаток разряжается через защитные диоды вывода. Резистор 1 кОм ограничивает такой ток до (12,4 − 3,3) В / 1 кОм ≈ 9 мА на время импульса — против ампер через сборку.

Расчёт по постоянному напряжению. Тот же резистор защищает и от медленных перегрузок: линия может оказаться под 5 В от соседнего устройства. STM32F103 допускает инжекцию до ±5 мА на обычный вывод и до ±25 мА в сумме (DS5319, табл. 7). Без учёта падения на внутреннем диоде:

R1≥5−3,35 мА=340 Ом.R_1 \ge \frac{5 - 3{,}3}{5\ \text{мА}} = 340\ \text{Ом}.

340 Ом — абсолютный минимум, и брать его не стоит. DS5319 требует не превышать и ток инжекции, и предельное напряжение на выводе: для обычных выводов — 4,0 В (табл. 6). При 5 мА через внутренний диод на выводе будет примерно напряжение питания плюс падение на диоде — почти у самой границы. Кроме того, втекающий ток уходит в шину 3,3 В и может поднять её, если стабилизатор при малой нагрузке не умеет принимать ток. С 1 кОм ток — не больше 1,7 мА, и вывод остаётся заметно ниже 4,0 В. Для AVR Microchip советует держать ток защитных диодов не выше 1 мА (AVR182), и при тех же 5 В и питании 3,3 В резистор нужен от 1,7 кОм. Учтите: DS5319 предупреждает, что инжекция тока ухудшает работу аналоговой части, и проверяет её влияние на погрешность АЦП (примечание 2 к табл. 7, табл. 35).

Выводы FT. У STM32F103 выводы с пометкой FT (например, PA11 и PA12) выдерживают до VDD + 4 В, а положительная инжекция в них невозможна (DS5319, табл. 6 и 7). Пять вольт на таком выводе допустимы, если отключены внутренние подтяжки; защита от разряда им всё равно нужна. PA0 — обычный вывод.

Скорость. Резистор с ёмкостью вывода 5 пФ даёт постоянную времени 5 нс — для кнопок, датчиков и медленных шин это незаметно. Рабочее напряжение линии не должно превышать VRWM сборки, 5,5 В: выше она начнёт проводить.

Разводка

Рекомендации ST, TI и Nexperia совпадают:

  1. Сборка — у разъёма. Линия идёт от контакта разъёма прямо на вывод сборки и только потом к микросхеме. Индуктивность между разъёмом и сборкой должна быть много меньше, чем между сборкой и защищаемой микросхемой: тогда ток выберет сборку (SLVA680A, разд. 2.1).
  2. Без ответвлений. Линия проходит через вывод сборки, а не подключается к нему отводом — отвод добавляет индуктивность последовательно с TVS. Проходной корпус USBLC6-2 сделан как раз для этого.
  3. Короткая земля. Вывод GND сборки — кратчайшим путём в сплошной слой земли, лучше несколькими переходными отверстиями; это самая влияющая индуктивность (SLVA680A). Nexperia добавляет: не делить обратный путь разряда с другими цепями и минимизировать петли.
  4. Без переходных отверстий до сборки. Переход со слоя на слой между разъёмом и TVS ухудшает защиту (SLVA680A, разд. 2.3).
  5. Незащищённое — подальше. Дорожки до сборки излучают при разряде: не ведите рядом с ними незащищённые линии, углы делайте не больше 45° или плавными (SLVA680A, разд. 2.2; PRTR5V0U2X, разд. 10).

Детали

ПозицияДетальПримечание
DA1 (USB)USBLC6-2SC6или TPD2E2U06, PRTR5V0U2X для High Speed
R1 (USB)1,5 кОмподтяжка D+ у STM32F103
DA1 (GPIO)TPD2E2U06два канала, DRL
R1 (GPIO)1 кОмдля STM32 при 5 В на линии; для AVR — от 1,7 кОм

Почему не работает

  • Устройство USB не определяется после установки защиты. Линия входит в один канал сборки, а выходит из другого (у USBLC6-2SC6 канал I/O1 — выводы 1 и 6, I/O2 — 3 и 4), или D+ осталась без подтяжки 1,5 кОм — сверьтесь со схемой.
  • High Speed работает нестабильно, Full Speed — нормально. Ёмкость защиты велика для 480 Мбит/с или сборка стоит на отводе от линии. Берите сборку на 1–2 пФ и ведите линии через неё.
  • Защита стоит, а микроконтроллер всё равно сбрасывается от разряда. Сборка далеко от разъёма или её земля идёт длинной дорожкой: на индуктивности падают сотни вольт.
  • На входе GPIO при 5 В на линии растёт ток потребления и врут соседние каналы АЦП. Ток через защитные диоды вывода: добавьте или увеличьте последовательный резистор.
  • TVS-сборка греется или линия «просаживается». Рабочее напряжение линии выше VRWM сборки: для линий выше 5,5 В нужна защита на другое напряжение.

Частые вопросы

Зачем внешняя защита, если у микроконтроллера есть защитные диоды?

Встроенная защита рассчитана на обращение с микросхемой при сборке: STM32F103 нормирован на 2000 В по модели человеческого тела. Системные испытания по IEC 61000-4-2 — это 8 кВ контактным разрядом в разъём готового устройства, около 30 А в пике. Такой ток должен уйти в землю через внешнюю TVS-сборку у разъёма, а не через вывод.

Можно ли поставить на линии USB обычные стабилитроны или TVS-диоды?

Только с малой ёмкостью. Для полной скорости USB 2.0 устройство с отсоединяемым кабелем может иметь до 100 пФ на линию, и стабилитрон на десятки пикофарад ещё допустим. Для 480 Мбит/с линия должна сохранять волновое сопротивление, и защиту берут с ёмкостью около 1–2 пФ: PRTR5V0U2X, TPD2E2U06 или USBLC6-2.

Какой резистор ставить последовательно со входом GPIO?

Такой, чтобы ток через защитные диоды вывода при худшем напряжении на линии оставался в пределах даташита: у STM32F103 — 5 мА на обычных выводах, у AVR Microchip советует не больше 1 мА. Для линии, которая может оказаться под 5 В, при питании 3,3 В это абсолютный минимум 340 Ом для STM32 и 1,7 кОм для AVR. Для STM32 берут 1 кОм с запасом — он ещё и ограничивает остаточный ток разряда.

Где ставить TVS-сборку на плате?

Вплотную к разъёму, чтобы линия шла от контакта прямо на вывод сборки и только потом к микросхеме, без ответвления. Вывод GND сборки соединяют с землёй разъёма как можно короче, лучше несколькими переходными отверстиями в сплошной слой земли. Каждый миллиметр дорожки добавляет индуктивность, а на фронте разряда это десятки вольт.

Источники

  1. STMicroelectronics. USBLC6-2: Very low capacitance ESD protection (DS4260 Rev 7, December 2021) — с. 1 — IEC 61000-4-2 уровень 4 (15 кВ воздух, 8 кВ контакт), до 3,5 пФ, USB 2.0 до 480 Мбит/с, выводы SOT23-6L: 1 и 6 I/O1, 2 GND, 3 и 4 I/O2, 5 VBUS; табл. 1 — предельно 15/15 кВ; табл. 2 — утечка до 150 нА при 5,25 В, VBR от 6 В, VCL 12 В при 1 А и 17 В при 5 А (8/20 мкс), C I/O–GND 2,5/3,5 пФ, согласование 0,015 пФ; разд. 2.1 — пример 8 кВ / 330 Ом → 24 А, VCL +31,2 и −13 В; разд. 2.2 — дорожки 10 мм × 0,5 мм ≈ 6 нГн, 24 А/нс → по 144 В, итого 319,2 В; разд. 2.3 — короткие дорожки к I/O, VBUS и GND
  2. Texas Instruments. TPD2E2U06 Dual-Channel High-Speed ESD Protection Device (SLLSEG9C, revised December 2019) — разд. 1 — ±25 кВ контакт, ±30 кВ воздух, 5,5 А (8/20 мкс), 1,5 пФ; разд. 5 — DRL: IO1 вывод 3, IO2 вывод 5, GND вывод 4; разд. 6.5 — VRWM 5,5 В, VCLAMP 9,7 и 12,4 В при 1 и 5 А (TLP 100 нс), RDYN 0,5 Ом, CL 1,5/1,9 пФ, разница каналов до 0,1 пФ, VBR 6,5–8,5 В, утечка до 10 нА; разд. 8.2 — USB 2.0, сигнал 0–5,5 В
  3. Nexperia. PRTR5V0U2X: Ultra low capacitance double rail-to-rail ESD protection diode (product data sheet, 1 April 2023) — табл. 1 — VRWM 5,5 В, C(I/O-GND) 1/1,5 пФ, Csup 16 пФ; табл. 2 — выводы 1 GND, 2 I/O1, 3 I/O2, 4 VCC; разд. 10 — USB 2.0 на 480 Мбит/с требует сверхмалой ёмкости, рекомендации 1–8 по разводке
  4. Texas Instruments. ESD Protection Layout Guide (SLVA680A, revised April 2022) — рис. 1-1 — 8 кВ по IEC 61000-4-2: около 30 А за 0,8 нс; разд. 2.1 — VESD = VBR + RDYN·I + L·dI/dt, 4·10¹⁰ А/с, 0,25 нГн дают 10 В; TVS у разъёма, без отвода к линии, минимальная индуктивность на землю; разд. 2.2 — углы не больше 45°, незащищённые дорожки не рядом; разд. 2.3 — переходные отверстия; разд. 2.4 — заземление
  5. USB Implementers Forum. Universal Serial Bus Specification, Revision 2.0 — табл. 6-1 — контакты 1 VBUS, 2 D−, 3 D+, 4 GND; разд. 7.1.6.1 — ёмкость входа FS-устройства с отсоединяемым кабелем CINUB до 100 пФ (75 пФ сосредоточенной + 25 пФ линии), разница D+ и D− меньше 10 %, ферриты на FS не рекомендуются; разд. 7.1.6.2 — HS: импеданс по TDR 70–110 Ом, ориентир для трансивера CHSLOAD до 10 пФ на линию и согласование до 1,0 пФ
  6. STMicroelectronics. STM32F103x8, STM32F103xB datasheet (DS5319 Rev 20, July 2025) — табл. 5 — PA11 USBDM, PA12 USBDP (FT), PA0 без FT; табл. 6 — FT до VDD + 4 В, остальные до 4 В; табл. 7 — инжекция тока: FT −5/+0 мА, остальные ±5 мА, сумма ±25 мА; табл. 33 — HBM 2000 В, CDM 500 В; табл. 36 — ёмкость вывода 5 пФ; табл. 45, примечание 2 — подтяжка D+ 1,5 кОм к 3,0–3,6 В
  7. Microchip (Atmel). AVR182: Zero Cross Detector (Atmel-2508C, 09/2016) — ток через защитные диоды вывода AVR — не больше 1 мА

Нашли ошибку?

Смотрите также