湖南静芯推出DP 2.1的ESD&EOS防护完整解决方案

涛意隆

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 湖南静芯推出DP 2.1的ESD&EOS防护完整解决方案

DP接口，全称是DisplayPort，是一种用于数字视频和音频传输的计算机显示接口标准。该接口由PC及芯片制造商联盟开发，旨在取代传统的VGA、DVI等接口，提供更加高效、高质量的视频和音频传输。广泛应用于电脑、笔记本电脑、显示器、电视和投影仪等数字显示设备上。它可以传输高清视频和音频信号，适用于办公、游戏、设计和娱乐等多种场景。DP 2.1是VESA（视频电子标准协会）在2022年10月正式发布的最新版DP标准。DP 2.1和DP 2.0在性能上没有明显区别，继承了DP 2.0协议最大支持16K的超强分辨率和80 Gbps的原始带宽的特性，但在接口与规范一致性、带宽管理机制、显示技术提升、线缆品质与传输距离以及兼容性等方面相比DP2.0都有所进步。且DP 2.1保持向下兼容，此前所有通过认证的DP2.0产品都符合DP2.1规范。

由于DP接口在系统上是外露给使用者随时可以插拔的接口，最普遍的应用就是随插即用、随拔即关，然而这个热插拔动作却也经常是造成电子系统工作异常、甚至造成后续电路毁坏的元凶，所以在端口设计时常常考虑使用器件对接口进行静电保护，以确保在能稳定可靠地工作。普通的防护方案或许会对数据的传输造成一定影响，随着消费类电子产品需求的持续增长，对ESD保护器件性能加强的需求也越来越强烈。静芯微系列产品可以充分满足客户的设计要求。

DP接口介绍

得益于USB-IF的支持，DP Alt模式可与USB4规范无缝衔接，因此DP 2.1接口可以有DP和USB Type-C两种形态，本文只讨论DP接口形态的防护方案。为了区别于普通的Type-C接口，DP 2.1会在接口处增加DP标识，用户可以更直观识别出DP 2.1接口。DP 2.1接口虽然跟Type-C接口、雷电3接口外观相同，但三者协议不同，功能差别很大。

DP 2.1 具有三种 UHBR（超高比特率）传输模式,按照频宽分为UHBR 10、UHBR 13.5、UHBR 20，如表1所示。UHBR 10每通道频宽为10Gbps，DisplayPort与USB Type-C接口皆可以采用，而UHBR 13.5、UHBR 20只能建构在USB Type-C的接口上，此介面除了可以将传输速率提高到80Gbps， USB PD供电最高还可以达到100W来实现快速充电。

 

传输方式	最大数据速率	接口类型
UHBR 10	40Gbps	Display Port/USB Type-C
UHBR 13.5	54Gbps	USB Type-C
UHBR 20	80Gbps	USB Type-C

表1 DP接口的UHBR模式

 

 

 

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图1 DP接口引脚配置

 

Pin	名称	定义	Pin	名称	定义
1	ML_Lane0(p)	通道0的差分正信号	11	GND	地
2	GND	地	12	ML_Lane3(n)	通道3的差分负信号
3	ML_Lane0(n)	通道0的差分负信号	13	GND	地
4	ML_Lane1(p)	通道1的差分正信号	14	GND	地
5	GND	地	15	AUX_CH(p)	附属通道的差分正信号
6	ML_Lane1(n)	通道1的差分负信号	16	GND	地
7	ML_Lane2(p)	通道2的差分正信号	17	AUX_CH(n)	附属通道的差分负信号
8	GND	地	18	Hot Plug	热插拔检测
9	ML_Lane2(n)	通道2的差分负信号	19	DP_PWR Return	电源回路
10	ML_Lane3(p)	通道3的差分正信号	20	DP_PWR	电源

表2 DP接口引脚功能描述

DP 2.1接口防护选型要求

在ESD系统测试的严格要求下，除了必须满足IEC61000-4-2的标准外，部分品牌厂商还对其产品的USB Type-C连接器设定了更严格的测试条件，即要求以Direct-Pin Injection测试方式成功通过±8kV的ESD冲击。因此在USB Type-C接口上采用ESD保护元件，以有效避免ESD事件对数据传输造成干扰十分必要。

当DP 2.1接口在选择合适的ESD防护器件时，需要考虑以下要求：

1. 为保障DP2.0在高速讯号传输过程中的完整性，选择ESD保护元件时，应优先考虑寄生电容较低的产品，理想状态下寄生电容应小于0.2pF。
2. 防护元件需具备高度的ESD耐受能力，至少应能承受IEC 61000-4-2标准下接触模式8kV的ESD冲击。
3. 为确保系统内部电路不受干扰或损坏，应选择钳制电压足够低的保护元件，以有效限制ESD能量在更低的电压水平。

 

DP 2.1接口整体应用方案  

方案一：

 

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图2 整体应用方案一

方案二：

 

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图3 整体应用方案二

1. LANE0，LANE1，LANE2，LANE3通道

DP 2.1拥有四条进行高速数据传输的通道。DP40认证数据线可以支持最高UHBR10 10Gbps，四条通道合并即传输速率为40Gbps；DP80认证数据线则支持UHBR20 20Gbps，四条通道合并传输速率最大为80Gbps。

方案一中我们推荐使用湖南静芯的分立式深回扫型ESD器件SEUCS2X3V1B，可使用8个器件对DP2.1的高速数据传输通道进行防护。SEUCS2X3V1B是一款保护高速数据接口的超低电容深回扫型ESD保护器件，专门设计用于保护连接到数据传输线的敏感电子元件免受ESD(静电放电)引起的干扰而损坏。根据IEC61000-4-2和IEC610000-4-5规范，SEUCS2X3V1B可用于提供高达±15kV(接触放电)的ESD保护，可承受高达7A(8/20us)的峰值脉冲电流。SEUCS2X3V1B的工作电压为3.3V，钳位电压为5.5V，具有 0.14pF 的极低电容，可确保信号完整性。

 

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图4 SEUCS2X3V1B器件TLP曲线

方案二中我们推荐使用湖南静芯的集成式深回扫型ESD器件SEUCS10F3V4B，可使用两个SEUCS10F3V4B同时对DP 2.1的四条高速数据传输通道进行防护。SEUCS10F3V4B是一款保护高速数据接口的超低电容深回扫型ESD保护器件，集成了四对超低电容控向二极管和一个TVS二极管，专门设计用于保护连接到数据传输线的敏感电子元件免受ESD(静电放电)引起的干扰而损坏。该器件工作电压为3.3V，结电容仅为0.17pF，钳位电压为5V，可同时对两对高速数据线进行静电防护，且符合IEC 61000-4-2 (ESD) 规范，在±15kV（空气）和±15kV（接触）下提供瞬变保护。

 

1. AUX, HPD,电源通道

AUX是DP接口中的辅助通道，用于链路管理（状态信息）和设备控制，半双工同信，属于低速差分信号通道，速率通常为1Mbit/s。HPD是DP接口中的热插拔检测引脚，热插拔检测的作用是当显示器通过DP接口与计算机主机相连或断连时，主机能够通过的HPD引脚检测出这一事件并做出响应。

附属通道的差分信号引脚（AUC_CH(n/p)）、热插拔检测引脚（Hot Plug）、接头电源引脚（DP_PWR）、电源回路引脚（DP_PWR Return）和地引脚（GND）可以采用湖南静芯研发的深回扫型ESD静电保护器件SEUCS236T5V4UA进行防护，可同时保护4条信号线和1条电源线。

SEUCS236T5V4UA是湖南静芯近期推出的4路单向深回扫型超强VCC防护静电保护器件。SEUCS236T5V4UA共有4个IO引脚，一个超强VCC保护引脚，可同时保护四条数据信号线和一条电源信号线免受ESD(静电放电)引起的干扰而损坏，可适用于DP2.0/2.1等接口的信号线防护。SEUCS236T5V4UA的工作电压为3.3V，IO-GND的钳位电压为5.6V，电容为0.7pF，根据IEC61000-4-5标准可承受高达14A(8/20μs)的峰值脉冲电流；VCC-GND的钳位电压为12.5V，电容为220pF，根据IEC61000-4-5标准可承受高达27A(8/20μs)的峰值脉冲电流。根据IEC 61000-4-2 (ESD) 规范，SEUCS236T5V4UA可用于提供高达±30kV(接触放电)，±30kV(空气放电)的ESD保护。

 

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图5 SEUCS236T5V4UA的IO-GND IV曲线

 

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图6 SEUCS236T5V4UA的VCC-GND IV曲线

电气特性表

At TA = 25℃ unless otherwise noted

Parameter	Symbol	Conditions	Min.	Typ.	Max.	Units
Reverse Stand-off Voltage	VRWM			3.3	5.0	V
Reverse Breakdown Voltage	VBR	IT=1mA	5.5	8.1	10.0	V
Reverse Leakage Current	IR	VRWM=3.3 OR 5.0V		1	100	nA
Clamping Voltage	VC	IPP=1A; tp=8/20us		2.5	4.0	V
Clamping Voltage	VC	IPP=7A; tp=8/20us		5.5	7.0	V
Reverse Holding Voltage	VHOLD	IHOLD=18mA	1.8	2.2	2.5	V
Reverse Holding Current	IHOLD	VHOLD=2.2V	12	18	25	mA
Dynamic Resistance	Rdyn			0.4		Ω
Junction Capacitance	CJ	VR=0V; f=1MHz		0.14	0.18	pF

表3 SEUCS2X3V1B电气特性表

 

Parameter	Symbol	Conditions	Min.	Typ.	Max.	Units
Reverse Stand-off Voltage	VRWM			3.3		V
Reverse Breakdown Voltage	VBR	IT=1mA	5.5		8.0	V
Reverse Leakage Current	IR	VRWM=3.3V		1	100	nA
Clamping Voltage	VCL	IPP=1A; tp=8/20us		2.5	4.0	V
Clamping Voltage	VCL	IPP=6A; tp=8/20us		5.0	7.0	V
Dynamic Resistance	Rdyn	IR = 10A; Tamb = 25℃		0.3	0.35	Ω
Junction Capacitance	CJ	VR=0V; f=1MHz；IO-GND		0.17	0.25	pF
		VR=0V; f=1MHz；IO-IO		0.17	0.25

表4 SEUCS10F3V4B电气特性表

 

Parameter	Symbol	Conditions	Min.	Typ.	Max.	Units
Reverse Stand-off Voltage	VRWM				5.0	V
Reverse Breakdown Voltage	VBR	IT=1mA，IO-GND	5.5	7.1		V
		IT=1mA，VCC-GND	5.5	6.9		V
Reverse Leakage Current	IR	VRWM=5.0V			0.1	uA
Clamping Voltage	VCL	IPP=1A; tp=8/20us; Pin1,3,4,6 to Pin2		1.5	2.5	V
	VCL	IPP=14A; tp=8/20us; Pin1,3,4,6 to Pin2		5.6	6.5	V
	VCL	IPP=1A; tp=8/20us; Pin5 to Pin2		7.5	9.5	V
	VCL	IPP=27A; tp=8/20us; Pin5 to Pin2		12.5	15.0	V
Junction Capacitance	CJ	I/O to GND; VR=0V; f=1MHz		0.7	1.0	pF
		Between I/O; VR=0V; f=1MHz		0.3	0.5
		VCC-GND; VR=0V; f=1MHz		220	250

表5 SEUCS236T5V4UA电气特性表

 

总结与结论

DP接口作为一种高效的数字信号传输标准，支持高分辨率、高刷新率、多屏传输与扩展，同时具备良好的兼容性和稳定性。随着科技的发展和高清显示需求的不断增加，DP接口在显示设备连接领域越来越重要，保护其免受ESD静电损害极为关键。本方案采用的元器件都为湖南静芯研发的深回扫型器件，回扫特性ESD防护器件具有超小封装体积、超低钳位电压、超低结电容特性，相比常规工艺 TVS 防护效果更优，且不影响信号完整性，可更有效保护高速数据接口免受瞬态过电压的影响，为相关电子产品设备加固防护，提升消费者使用体验。

湖南静芯深回扫型系列ESD器件工作电压涵盖1.0~38V，电流涵盖4~30A，电容最低至0.1pF，封装涵盖CSP、FC及各类封装形式。同时推出22V&33V TDS平缓浪涌抑制器，可用于保护工作电压为20V、24V、28V、36V的系统，具有精准且恒定的触发电压、优异的钳位性能及稳定的温度特性，可为系统提供更全面保护。结合TDS器件与深回扫ESD优势，湖南静芯是国内首家推出USB4.0完整解决方案的公司，详情可以参考：“湖南静芯推出USB4.0&PD3.0的ESD&EOS防护完整解决方案100W+80G/120G”与“湖南静芯推出USB4.0&PD3.1的ESD&EOS防护完整解决方案140W&180W+80G/120G”等文章。