USB 3.0應(yīng)用的ESD保護(hù)設(shè)計(jì)

USB是通用串行總線的簡(jiǎn)稱，這是目前個(gè)人計(jì)算機(jī)與其它外部設(shè)備聯(lián)機(jī)使用最為廣泛的一種傳輸接口。該接口最初由英特爾與微軟公司倡導(dǎo)發(fā)起，其最大的特點(diǎn)是支持熱插拔和隨插即用，使用者不需要重新開(kāi)機(jī)便可以直接安裝或加載硬件驅(qū)動(dòng)程序，使用起來(lái)比PCI和ISA總線要方便很多。

USB 3.0接口分成主機(jī)(Host)端與設(shè)備(Device)端，必須先有主機(jī)端的支持，外圍的設(shè)備端才能搭配。從芯片大廠英特爾及AMD已開(kāi)始推出支持 USB 3.0的南橋芯片，微軟Windows 7也開(kāi)始提供支持USB 3.0的驅(qū)動(dòng)，以及最近市面上的計(jì)算機(jī)及外圍產(chǎn)品中已越來(lái)越多地標(biāo)榜具有USB 3.0功能，可知USB 3.0取代USB 2.0已是既定的趨勢(shì)。

USB 3.0的數(shù)據(jù)傳輸速率比USB 2.0快十倍，正好滿足日益增長(zhǎng)的對(duì)高畫質(zhì)、大容量存儲(chǔ)的需求。無(wú)論是數(shù)字照片文檔、影片文件、電子郵件數(shù)據(jù)或其它重要數(shù)據(jù)的復(fù)制或備份，甚至是整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的備份，均可大幅縮減時(shí)間，提升工作效率。除了在計(jì)算機(jī)上的應(yīng)用之外，手機(jī)與相機(jī)也大都使用USB與計(jì)算機(jī)連接傳輸數(shù)據(jù)，并利用USB進(jìn)行充電。

為實(shí)現(xiàn)十倍于USB 2.0的傳輸速度，必須使用更先進(jìn)的工藝來(lái)設(shè)計(jì)和制造USB 3.0控制芯片，這也造成USB 3.0的控制芯片對(duì)靜電放電(ESD)的耐受能力快速下降。此外，當(dāng)USB 3.0被廣泛用于傳輸影音數(shù)據(jù)時(shí)，對(duì)數(shù)據(jù)傳輸容錯(cuò)率會(huì)有更嚴(yán)格的要求，使用額外的保護(hù)組件來(lái)防止ESD事件對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)母蓴_變得很有必要。除了傳輸速度的要求之外，USB另一個(gè)最重要的特點(diǎn)就是隨插即用、隨拔即關(guān)。但由于在USB傳輸線內(nèi)部經(jīng)常會(huì)累積靜電，造成在熱插拔動(dòng)作下必然會(huì)有一些ESD現(xiàn)象發(fā)生，電子系統(tǒng)經(jīng)常因此而發(fā)生工作異常、甚至造成USB連接端口組件毀壞，像ESD等瞬時(shí)噪聲就是來(lái)自這個(gè)熱插拔動(dòng)作。

USB3.0連接端口ESD保護(hù)組件的要素

ESD保護(hù)組件必須同時(shí)符合下面五項(xiàng)要求才適合用在USB3.0端口：

首先，ESD保護(hù)組件本身的寄生電容必須小于0.3pF，才不會(huì)影響USB3.0高達(dá)4.8Gbps的傳輸速率。其次，保護(hù)組件的ESD耐受能力必須夠高，至少要能承受IEC 61000-4-2接觸模式8kV ESD的攻擊。第三也是最重要的一項(xiàng)要求，在ESD事件發(fā)生期間保護(hù)組件必須提供夠低的箝制電壓，不能造成傳輸數(shù)據(jù)錯(cuò)誤或遺漏，甚至造成系統(tǒng)產(chǎn)品內(nèi)部電路損壞。第四，保護(hù)組件動(dòng)作后的導(dǎo)通阻值必須夠低，這樣，除了可以降低箝制電壓外，最大的優(yōu)點(diǎn)是可讓組件在遭受高能量ESD攻擊時(shí)仍能保持低箝制電壓，以避免出現(xiàn)保護(hù)組件未受損但系統(tǒng)內(nèi)部電路已無(wú)法正常工作甚至損壞的情況。第五，單個(gè)芯片即可解決USB 3.0連接端口中所有信號(hào)線/電源線的ESD保護(hù)需求，尤其是使用在Micro USB接口時(shí)，這將大大降低設(shè)計(jì)布局的復(fù)雜度。

以上五項(xiàng)基本要求缺一不可，若有任何一項(xiàng)無(wú)法滿足，則USB 3.0端口就無(wú)法被完善地保護(hù)。不過(guò)，同時(shí)符合以上五項(xiàng)要求的ESD保護(hù)組件其本身的設(shè)計(jì)難度相當(dāng)高，若非具有豐富經(jīng)驗(yàn)與扎實(shí)技術(shù)的設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)將無(wú)法實(shí)現(xiàn)。

采用AZ1065的USB 3.0 應(yīng)用ESD保護(hù)方案

本文介紹的USB 3.0 應(yīng)用的ESD保護(hù)方案，采用的是晶焱科技針對(duì)USB 3.0的保護(hù)需求推出的AZ1065系列ESD保護(hù)組件。為了將保護(hù)組件的寄生電容對(duì)4.8Gbps差動(dòng)(Differential)信號(hào)高速傳輸?shù)挠绊懡抵磷畹?，AZ1065的寄生電容低于0.3pF。在極嚴(yán)格的電容要求下，任一引腳在室溫時(shí)仍可承受IEC 61000-4-2接觸模式10kV ESD的攻擊。

最重要是，與相同的寄生電容相比，AZ1065擁有最低的ESD箝制電壓，可有效防止數(shù)據(jù)傳輸時(shí)被ESD事件干擾，這樣才能讓具有USB 3.0連接端口的電子系統(tǒng)得以通過(guò)Class-A的IEC 61000-4-2系統(tǒng)級(jí)靜電放電保護(hù)測(cè)試。利用傳輸線脈沖系統(tǒng)(TLP)測(cè)量AZ1065-06F后，可以觀察到如圖1所示的ESD箝制電壓特性。

在IEC 61000-4-2接觸模式6kV(TLP電流等效約為17A)的ESD攻擊下，箝制電壓僅有13.4V，足以有效避免系統(tǒng)產(chǎn)品在靜電測(cè)試時(shí)發(fā)生數(shù)據(jù)錯(cuò)誤、當(dāng)機(jī)甚至損壞的情況。圖2所示為裝有ESD保護(hù)組件AZ1065-06F的USB 3.0端口順利通過(guò)5Gbps的眼圖測(cè)試結(jié)果。

在電子產(chǎn)品日益小型化的發(fā)展趨勢(shì)下，產(chǎn)品的印刷電路板(PCB)面積也隨之越來(lái)越小，但對(duì)于更多功能的要求使得線路變得更加復(fù)雜，這些都對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)布局造成相當(dāng)大的困擾。

AZ1065系列產(chǎn)品提供了六個(gè)極低電容的引腳，可同時(shí)保護(hù)USB 3.0的兩組差動(dòng)對(duì)(TX和RX)及USB 2.0的差動(dòng)對(duì)(D+和D-)，具有減小PCB面積和降低布局復(fù)雜度等優(yōu)點(diǎn)，并可大幅節(jié)省系統(tǒng)成本。更特別的是，AZ1065-06F率先采用交錯(cuò)型的引腳，以便PCB布局時(shí)可利用穿透式(Feedthrough)方式實(shí)現(xiàn)完美設(shè)計(jì)，圖3顯示了AZ1065-06F的接線方式。

這種首創(chuàng)的組件接腳方式可免除繞線時(shí)的諸多困擾，不但對(duì)簡(jiǎn)化產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段的PCB布局工作有相當(dāng)大的幫助，同時(shí)差動(dòng)信號(hào)線的布局也將更為對(duì)稱，從而減少信號(hào)傳輸錯(cuò)誤的機(jī)會(huì)。