高頻數(shù)據(jù)傳輸接口電路保護(hù)方案設(shè)計(jì)

高頻數(shù)據(jù)傳輸接口電路保護(hù)方案設(shè)計(jì)

IC制程技術(shù)的不斷發(fā)展、高速數(shù)據(jù)傳輸接口的大行其道，使得相關(guān)的ESD防護(hù)變得日益困難。對(duì)更快處理速度和更高功能密度的強(qiáng)烈需求，推動(dòng)IC制造者進(jìn)一步縮減MOS元件的最小尺寸，尤其當(dāng)制造技術(shù)轉(zhuǎn)向90nm以下時(shí)，IC芯片體積越來(lái)越小、密度越來(lái)越高、功能越來(lái)越復(fù)雜，而其使用的電磁環(huán)境卻日趨嚴(yán)酷，也使其更易遭受ESD、過(guò)壓及過(guò)流的損害。同時(shí)，各種高速接口的持續(xù)發(fā)展，特別是便攜式多媒體設(shè)備的高速成長(zhǎng)，使得數(shù)據(jù)的高速傳輸成為必然。而怎樣才能在保護(hù)接口安全的同時(shí)保證數(shù)據(jù)的高速傳輸，已然成為高頻數(shù)據(jù)接口面對(duì)的難題。

不同接口的電路保護(hù)要求

在目前的主流接口中，USB的使用最為廣泛，最新的USB3.0更是會(huì)支持高達(dá)5Gbps的傳輸速度。當(dāng)傳輸速度提升到如此高時(shí)，信號(hào)的保持時(shí)間僅有 200ps，此時(shí)傳統(tǒng)的高電容MLV、TVS等器件將無(wú)法用于ESD保護(hù)，高寄生電容將嚴(yán)重引起信號(hào)波形失真：它減少了電平保持時(shí)間，令信號(hào)上升和下降沿大為改變，以至于信號(hào)無(wú)法達(dá)到正常的工作電平。與之相比，HDMI1.3標(biāo)準(zhǔn)將早期HDMI1.0-1.2的數(shù)據(jù)傳輸速率提高了一倍，達(dá)到每對(duì)差分信號(hào) 3.4Gbps。要達(dá)到如此高的數(shù)據(jù)傳輸速率，低電容和出色的電路板設(shè)計(jì)將成為充分保證信號(hào)完整性的關(guān)鍵。

新型 DisplayPort接口也正在被許多個(gè)人電腦、監(jiān)視器、投影儀以及其他顯示內(nèi)容(播放)源設(shè)計(jì)所采用。DisplayPort接口在高達(dá) 2.7Gbps的速率下工作，這比原來(lái)的視頻/多媒體互聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)高得多，因此也面臨著同樣的挑戰(zhàn)。硬盤驅(qū)動(dòng)器、電腦和機(jī)頂盒廠家正在向E-SATA (外部串行ATA)標(biāo)準(zhǔn)看齊，把它作為在存儲(chǔ)設(shè)備之間傳遞視頻的快速方式，最新SATA3.0標(biāo)準(zhǔn)最新定義的最高傳輸帶寬將高達(dá)6Gbps。E-SATA 技術(shù)對(duì)ESD的需求與HDMI及DisplayPort十分相似，E-SATA的熱插拔性質(zhì)使得高等級(jí)ESD保護(hù)變得尤為關(guān)鍵。

 
圖1.不同高速接口的信號(hào)速度要求比較

可見(jiàn)，對(duì)于設(shè)計(jì)人員來(lái)講，高速接口電路保護(hù)設(shè)計(jì)的復(fù)雜性及難點(diǎn)來(lái)自于工作速度，很多設(shè)計(jì)人員對(duì)于各種各樣的速度表達(dá)方式感到無(wú)從下手。

以 HDMI1.3和DisplayPort為例，HDMI1.3一般是指在340Mpixel/s下按最高10Gbps的數(shù)據(jù)傳輸速度工作，這里的最高傳輸速度表示接口將根據(jù)所連接的發(fā)生器和接收器的視頻能力而改變其時(shí)鐘速率。被連接的兩種設(shè)備的分辨率或顏色深度越高，時(shí)鐘頻率就越高。比如，高清視頻在 1,080p模式下就比在1,080i模式下要處理的數(shù)據(jù)信息多，時(shí)鐘速率也更快。實(shí)際工作時(shí)，HDMI的工作速度取決于發(fā)射器和接收器的能力以及播放源的分辨率和顏色深度。圖１所示為常用高速接口的TMDS的最高工作速率。

DisplayPort標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了兩種工作速度：1.62GHz和2.7GHz。設(shè)計(jì)人員可以根據(jù)具體用途和成本因素選擇較低的工作速度，而較高的速度可以使刷新速度更快、分辨率更高、顏色深度更豐富。

有些情況下也有可能實(shí)現(xiàn)具備兩種速度的設(shè)計(jì)。最新USB 3.0規(guī)范大大增加了對(duì)低電容ESD器件的需求。USB 3.0在現(xiàn)有USB 2.0上增加了兩個(gè)高速差分信號(hào)對(duì)。由于收發(fā)差分信號(hào)對(duì)最高可在5GHz下工作，USB 3.0要求信號(hào)比DisplayPort快50%。按照這種速度，任何附加電容都會(huì)影響眼圖，從而影響與USB 3.0規(guī)范的相符性。

以上高速數(shù)據(jù)傳輸接口電路保護(hù)的主要困難是，保護(hù)器件的過(guò)大寄生電容會(huì)造成一定程度的信號(hào)衰減，從而降低顯示質(zhì)量。因此，ESD器件要根據(jù)其所保護(hù)的電路接口的信號(hào)頻率，選擇足夠低電容以及穩(wěn)定ESD分流能力的ESD器件，并在元件尺寸、ESD保護(hù)性能以及實(shí)現(xiàn)的便利性之間進(jìn)行取舍。在高速數(shù)據(jù)接口電路上添加ESD保護(hù)時(shí)，必須考慮外加電容和電感對(duì)高速差分信號(hào)的時(shí)序影響。當(dāng)USB3.0在高達(dá)5GHz的速度下工作時(shí)，線路上任何額外阻抗都有可能會(huì)使信號(hào)失真，導(dǎo)致其難以滿足規(guī)定眼圖中的信號(hào)上升時(shí)間和維持信號(hào)電平。

選擇合適的ESD保護(hù)器件

高速信號(hào)的時(shí)序性能一般用眼圖進(jìn)行測(cè)量，眼圖是一種用來(lái)精確顯示時(shí)序和點(diǎn)評(píng)誤差的分析工具。如圖2所示，眼圖中間的灰色部分代表高速差分信號(hào)的電氣規(guī)格。當(dāng)線條逐漸侵占灰色部分，誤差余量變得越來(lái)越小。眼寬度是代表數(shù)據(jù)線穩(wěn)定時(shí)間以及是否存在誤差的理想指標(biāo)。眼高度則表示信號(hào)電平或振幅。由于TMDS對(duì)為差分信號(hào)，盡量減小差分電容和信號(hào)-對(duì)-地電容十分重要，這樣才能保證信號(hào)的上升時(shí)間和下降時(shí)間符合要求。最理想的情況是，電容足夠低，以給設(shè)計(jì)人員的足夠的設(shè)計(jì)余量。

 
圖2 在3.4GHz下工作的泰科電子0.25pF PESD器件的眼圖

為滿足高速數(shù)據(jù)通信接口既使得ESD保護(hù)有效、又不影響高速信號(hào)傳輸?shù)囊蟆＝陙?lái)，市場(chǎng)上推出了多種專門適用于此類保護(hù)要求的器件，例如泰科電子瑞侃電路保護(hù)部推出的高分子ESD抑制器件PESD，以及低電容硅類ESD器件SESD。PESD器件的電容極低，典型值0.25pF，漏電流極小 (<0.001A)；ESD防護(hù)快速有效, 價(jià)格低于低電容硅器件。泰科電子推出的低電容硅類ESD器件包括0201封裝，典型電容為0.6pF的SESD0201C-006-058, 0402封裝，典型電容為0.5pF的SESD0402S-005-054。

圖2展示了泰科電子0.25pF PESD器件在3.4GHz下工作(HDMI 1.3)的眼圖性能，如圖所示，當(dāng)接口傳輸速度高達(dá)HDMI1.3定義的最高3.4GHz時(shí)，采用泰科電子PESD靜電保護(hù)元件的信號(hào)在傳輸過(guò)程中，在信號(hào)上升時(shí)間、下降時(shí)間以及信號(hào)電平上都有足夠裕量，能夠保證數(shù)據(jù)正常傳輸不受影響。

覆蓋較寬頻率范圍的低插入損耗和穩(wěn)定的電容，也對(duì)實(shí)現(xiàn)保護(hù)充分、節(jié)省成本和信號(hào)衰減最小這一最終目標(biāo)具有重要影響。插入損耗是衡量信號(hào)衰減-頻率關(guān)系的一個(gè)重要指標(biāo)。插入損耗過(guò)高會(huì)降低設(shè)備和系統(tǒng)帶寬，對(duì)滿足眼圖電平帶來(lái)額外的設(shè)計(jì)約束。

ESD 保護(hù)器件的電容與頻率特性也可能影響高速端口的設(shè)計(jì)性能，從而增加設(shè)計(jì)約束。在高速系統(tǒng)中，針對(duì)某特定電容而設(shè)計(jì)的電路可能因采用的ESD保護(hù)方法不同而表現(xiàn)不同，這就迫使設(shè)計(jì)人員在構(gòu)思HDMI電路保護(hù)機(jī)制時(shí)不得不使用復(fù)雜的軟件過(guò)程改進(jìn)與能力測(cè)定(SPICE)模型和仿真手段。圖3，圖4展示了泰科電子兩種用于高速數(shù)據(jù)傳輸接口保護(hù)E的SD器件在高頻傳輸速率下的插入損耗。

圖3 泰科電子瑞侃PESD器件的插入損耗曲線

圖4 泰科電子瑞侃SESD器件的插入損耗曲線

泰科電子的PESD相對(duì)于其它的聚合物ESD保護(hù)器件，具有較低觸發(fā)電壓和箝位電壓、耐受ESD沖擊、壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)；SESD相對(duì)于聚合物PESD 元件，電容略高(0.6pF)，但其觸發(fā)電壓與箝位電壓相對(duì)更低，對(duì)于極其敏感的IC具有更好的防護(hù)作用。泰科電子推出的這兩款產(chǎn)品可以完全覆蓋高速數(shù)據(jù)傳輸接口的保護(hù)，設(shè)計(jì)者可以根據(jù)保護(hù)等級(jí)、接口電路的工作頻率、元件尺寸、成本以及實(shí)現(xiàn)的便利性等進(jìn)行選擇。這兩個(gè)系列的產(chǎn)品采用了電子工業(yè)中最為流行的 0603、0402以及目前最小的0201封裝，符合RoHS嚴(yán)格要求，能夠幫助機(jī)頂盒敏感電路、手提電腦、手機(jī)和其它便攜式設(shè)備免ESD侵害。

PPTC過(guò)流保護(hù)

出于安全和調(diào)整考慮，HDMI、USB和DisplayPort規(guī)范也要求終端用戶可接觸的供電連接器實(shí)現(xiàn)過(guò)流保護(hù)。過(guò)流保護(hù)器件必須可以復(fù)位而無(wú)須用戶機(jī)械干預(yù)，為防止誤動(dòng)作，其預(yù)設(shè)動(dòng)作極限必須高于允許的瞬變電流，同時(shí)要求保護(hù)元件的常態(tài)電阻足夠低，以免造成太多的壓降。聚合正溫度系數(shù)(PPTC)器件在各種高速接口應(yīng)用中的效果已經(jīng)得到證明。與傳統(tǒng)熔斷器一樣，當(dāng)電流超過(guò)規(guī)定極限電流時(shí)它們將限制回路電流。但是，與熔斷器不同的是，PPTC可以在故障清除、電源重新上電后復(fù)位。PPTC器件具有電阻低、動(dòng)作時(shí)間快和外形尺寸小的特點(diǎn)，使其成為許多供電總線架構(gòu)中過(guò)流保護(hù)的首選方法。

不同于HDMI和DisplayPort，USB接口通常用來(lái)為便攜電子產(chǎn)品提供電源、充電等功能。因此，對(duì)于采用USB接口供電或充電的下游設(shè)備，會(huì)受到感應(yīng)式電壓尖峰，錯(cuò)誤充電器，反向偏壓導(dǎo)致的危害。泰科電子的polyZen元件是聚合物保護(hù)的精密齊納二極管微型集成模塊，由一個(gè)穩(wěn)定的箝位電壓精準(zhǔn)的齊納二極管和一個(gè)非線性聚合物PTC(正溫度系數(shù))組合而成，PTC通過(guò)由低阻態(tài)向高阻態(tài)轉(zhuǎn)換，從而對(duì)二極管過(guò)熱或過(guò)電流故障作出響應(yīng)。PolyZen元件具有可復(fù)位式防止大功率故障事件的特點(diǎn)，同時(shí)只有0.7W功耗。二極管過(guò)熱或過(guò)電流發(fā)生時(shí)，PTC“動(dòng)作”從而限制電流并產(chǎn)生壓降，幫助保護(hù)齊納二極管及其后面的電子設(shè)備，從而有效提高該二極管的功率處理能力。

圖5、圖6和圖7展示了采用泰科電子ESD器件、MLV器件，PolySwitch過(guò)流保護(hù)器件，PolyZen過(guò)流過(guò)壓保護(hù)器件設(shè)計(jì)的HDMI1.3、USB3.0和Display port接口保護(hù)電路示意圖。

圖5 典型HDMI接口電路保護(hù)方案設(shè)計(jì)-ESD與過(guò)流保護(hù)

圖6 典型DisplayPort接口電路保護(hù)方案設(shè)計(jì)-ESD與過(guò)流保護(hù)

圖7 典型USB3.0 電路保護(hù)方案設(shè)計(jì)-ESD,過(guò)流越過(guò)壓保護(hù)