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Usb3.0的接口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Usb3.0的接口的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Usb3.0的接口已得到广泛应用。Usb3.0的传输速率达5Gbps，是USB2.0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
Usb3.0的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Usb3.0的接口电路的EMC和安规系统设计方案。
2、方案设计
2.1静电防护设计
根据产品国际CE认证遵循的电磁兼容指令2014/30/EU，对IT设备静电放电抗扰度的测试要求是接触放电±4kV、空气放电±8kV;对通信产品静电放电抗扰度的测试要求是接触放电±6kV、空气放电±8kV。另外根据IEC61000-4-2:2008《测试和试验技术-静电放电抗扰度测试》，除了特殊要求外，目前静电放电测试等级最高的要求是接触放电±8kV、空气放电±15kV。
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Usb3.0的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。同心富小编下面推荐一种Usb3.0的静电放电防护设计方案，根据Usb3.0的要兼容USB2.0的特性，Usb3.0的的静电防护分为两部分：Vbus和兼容USB2.0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。
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USB2.0差分信号线基础上，Usb3.0的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。Usb3.0的接口中兼容USB2.0数据线的共模扼流电感可以沿用USB2.0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。Usb3.0的接口电路的信号滤波方案如图3所示。
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。Usb3.0的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。
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IEC60950:2007《信息技术设备安全通用要求》或最新的IEC62368:2014《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
Usb3.0的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：Usb3.0的接口无论带负载(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Usb3.0的接口的八根线(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Usb3.0的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Usb3.0的接口静电耐受性最高达6kV。没有任何防护的Usb3.0的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Usb3.0的接口的辐射发射，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)Usb3.0的带USB2.0移动硬盘
Usb3.0的用于USB2.0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Usb3.0的中兼容USB2.0的一对差分线D+/-上加共模电感，可以满足EN300386:2008《通信设备电磁兼容要求》或CISPR22:2006《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)Usb3.0的带Usb3.0的移动硬盘
Usb3.0的用于Usb3.0的的外设，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USB2.0的一对差分线D+/-上加共模电感，用于抑制480MHz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
同心富小编建议选取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1.1~1.9A，限流响应时间0.6ms。按照IEC60950:2007或IEC62368:2014中对受限制电源的测试要求，对Usb3.0的接口电路中的电源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。Usb3.0的接口接一个电子负载，调整电子负载并观察Usb3.0的接口Vbus的电压和电流变化情况。
设计超过2A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5A、2.2A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Usb3.0的电源的限流，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，Usb3.0的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，Usb3.0的接口兼容USB2.0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ClassA要求，或系统采用了开展频技术，可不加共模扼流电感;如果Usb3.0的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1A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2A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。
