《电子技术应用》

USB 3.0应用的ESD保护设计

2013/4/18 16:50:23

 

 USB是通用串行总线的简称,这是目前个人计算机与其它外部设备联机使用最为广泛的一种传输接口。该接口最初由英特尔与微软公司倡导发起,其最大的特点是支持热插拔和随插即用,使用者不需要重新开机便可以直接安装或加载硬件驱动程序,使用起来比PCI和ISA总线要方便很多。

    USB 3.0接口分成主机(Host)端与设备(Device)端,必须先有主机端的支持,外围的设备端才能搭配。从芯片大厂英特尔及AMD已开始推出支持USB 3.0的南桥芯片,微软Windows 7也开始提供支持USB 3.0的驱动,以及最近市面上的计算机及外围产品中已越来越多地标榜具有USB 3.0功能,可知USB 3.0取代USB 2.0已是既定的趋势。

    USB 3.0的数据传输速率比USB 2.0快十倍,正好满足日益增长的对高画质、大容量存储的需求。无论是数字照片文档、影片文件、电子邮件数据或其它重要数据的复制或备份,甚至是整个计算机系统的备份,均可大幅缩减时间,提升工作效率。除了在计算机上的应用之外,手机与相机也大都使用USB与计算机连接传输数据,并利用USB进行充电。

    为实现十倍于USB 2.0的传输速度,必须使用更先进的工艺来设计和制造USB 3.0控制芯片,这也造成USB 3.0的控制芯片对静电放电(ESD)的耐受能力快速下降。此外,当USB 3.0被广泛用于传输影音数据时,对数据传输容错率会有更严格的要求,使用额外的保护组件来防止ESD事件对数据传输的干扰变得很有必要。除了传输速度的要求之外,USB另一个最重要的特点就是随插即用、随拔即关。但由于在USB传输线内部经常会累积静电,造成在热插拔动作下必然会有一些ESD现象发生,电子系统经常因此而发生工作异常、甚至造成USB连接端口组件毁坏,像ESD等瞬时噪声就是来自这个热插拔动作。

USB3.0连接端口保护组件的要素

    ESD保护组件必须同时符合下面五项要求才适合用在USB3.0端口:

    首先,ESD保护组件本身的寄生电容必须小于0.3pF,才不会影响USB3.0高达4.8Gbps的传输速率。其次,保护组件的ESD耐受能力必须够高,至少要能承受IEC 61000-4-2接触模式8kV ESD的攻击。第三也是最重要的一项要求,在ESD事件发生期间保护组件必须提供够低的箝制电压,不能造成传输数据错误或遗漏,甚至造成系统产品内部电路损坏。第四,保护组件动作后的导通阻值必须够低,这样,除了可以降低箝制电压外,最大的优点是可让组件在遭受高能量ESD攻击时仍能保持低箝制电压,以避免出现保护组件未受损但系统内部电路已无法正常工作甚至损坏的情况。第五,单个芯片即可解决USB 3.0连接端口中所有信号线/电源线的ESD保护需求,尤其是使用在Micro USB接口时,这将大大降低设计布局的复杂度。

    以上五项基本要求缺一不可,若有任何一项无法满足,则USB 3.0端口就无法被完善地保护。不过,同时符合以上五项要求的ESD保护组件其本身的设计难度相当高,若非具有丰富经验与扎实技术的设计团队将无法实现。

    晶焱科技拥有先进的ESD保护设计技术,特别针对USB 3.0的保护需求推出了AZ1065系列ESD保护组件。为了将保护组件的寄生电容对4.8Gbps差动(Differential)信号高速传输的影响降至最低,AZ1065的寄生电容低于0.3pF。在极严格的电容要求下,任一引脚在室温时仍可承受IEC 61000-4-2接触模式10kV ESD的攻击。

    最重要是,与相同的寄生电容相比,AZ1065拥有最低的ESD箝制电压,可有效防止数据传输时被ESD事件干扰,这样才能让具有USB 3.0连接端口的电子系统得以通过Class-A的IEC 61000-4-2系统级静电放电保护测试。利用传输线脉冲系统(TLP)测量AZ1065-06F后,可以观察到如图1所示的ESD箝制电压特性。在IEC 61000-4-2接触模式6kV(TLP电流等效约为17A)的ESD攻击下,箝制电压仅有13.4V,足以有效避免系统产品在静电测试时发生数据错误、当机甚至损坏的情况。图2所示为装有ESD保护组件AZ1065-06F的USB 3.0端口顺利通过5Gbps的眼图测试结果。

     在电子产品日益小型化的发展趋势下,产品的印刷电路板(PCB)面积也随之越来越小,但对于更多功能的要求使得线路变得更加复杂,这些都对产品设计布局造成相当大的困扰。


    AZ1065系列产品提供了六个极低电容的引脚,可同时保护USB 3.0的两组差动对(TX和RX)及USB 2.0的差动对(D+和D-),具有减小PCB面积和降低布局复杂度等优点,并可大幅节省系统成本。更特别的是,AZ1065-06F率先采用交错型的引脚,以便PCB布局时可利用穿透式(Feedthrough)方式实现完美设计,图3显示了AZ1065-06F的接线方式。

       这种首创的组件接脚方式可免除绕线时的诸多困扰,不但对简化产品设计阶段的PCB布局工作有相当大的帮助,同时差动信号线的布局也将更为对称,从而减少信号传输错误的机会。

    晶焱科技表示,利用TVS Array完成多条信号/电源线的ESD保护是系统产品的设计趋势,公司除了投入大量的设计资源外,还同时与多家IC设计公司、晶圆厂及封装测试厂合作开发最适合系统产品使用的各种TVS Array,希望打破传统陶瓷保护组件/齐纳二极管的低性价比瓶颈,提供给系统产品设计者专业和多样化的ESD解决方案。

继续阅读>>