【導(dǎo)讀】針對(duì)USB 3.0的ESD保護(hù)電路，有三個(gè)主要的考慮因素：一是為滿足要高速度/電容要求，USB 3.0的接口需要比USB 2.0電容更低的ESD保護(hù)，必須小于才采用1pF的ESD元件，增加極低電容PESD器件可以減小插入損耗；二是動(dòng)作電壓的選用要與被保護(hù)IC芯片的ESD承受能力配合起來，還要考慮回路阻抗；三是滿足空間要求，采用更小尺寸的保護(hù)元件，靈活布局。
1996年，家喻戶曉的通用串行接口(USB1.0)初次問世，它可以支持低速(LS)模式和全速(FS)模式，分別提供1.5Mbps和12Mbps的速率。2000年，USB2.0面市，其新的高速(HS)模式可提供高達(dá)480Mbps的速率，并且依然向下兼容低速模式和全速模式。
目前，USB2.0是最普遍的通用外部數(shù)據(jù)接口之一，且事實(shí)上已成為便攜式電腦、上網(wǎng)本和臺(tái)式機(jī)等所有計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的標(biāo)配接口。此外，諸如便攜式攝像機(jī)、數(shù)碼相機(jī)、MP3播放器、電子游戲機(jī)、DVD藍(lán)光播放器和電視機(jī)，以及手機(jī)和DSL/路由器等消費(fèi)電子產(chǎn)品，也廣泛采用USB2.0接口。
2008年，30億個(gè)帶USB2.0接口的新電子設(shè)備進(jìn)入市場。預(yù)計(jì)2013年將有超過40億個(gè)具備USB接口的新電子設(shè)備上市。隨著超高速應(yīng)用的發(fā)展，對(duì)具有更高數(shù)據(jù)率的外部接口的需求與日俱增，例如將外部硬盤驅(qū)動(dòng)器連接至計(jì)算機(jī)。
在市場上，有些系統(tǒng)可提供比USB2.0高速模式480Mbps高得多的數(shù)據(jù)率。例如，千兆以太網(wǎng)的速度是其3倍左右，外部串行ATA(eSATA)則可提供3Gbps的數(shù)據(jù)率(約6倍)。但所有這些系統(tǒng)均不向下兼容USB2.0接口，因?yàn)樗鼈儾捎玫氖遣煌南到y(tǒng)方法。
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USB3.0系統(tǒng)設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)
2008年11月，USB3.0規(guī)范發(fā)布。USB3.0不僅包含USB2.0的全部功能(HS、FS和LS)，而且可提供名為超高速(SuperSpeed)的單獨(dú)的全新超高速數(shù)據(jù)鏈路。超高速鏈路為下載(從主機(jī)到設(shè)備，被稱為發(fā)送方向)和上傳(從設(shè)備到主機(jī)，被稱為接收方向)提供了單獨(dú)的差分?jǐn)?shù)據(jù)線路。超高速模式可提供的最高數(shù)據(jù)率為5Gbps(圖1)。
圖1：USB3.0物理鏈路在主機(jī)側(cè)和設(shè)備側(cè)帶有ESD防護(hù)
為同時(shí)支持USB2.0功能和新的超高速模式，電纜必須采用新的結(jié)構(gòu)，以提供三條差分耦合信號(hào)線(TX+/Tx-、RX+/Rx-和D+/D-)。此外，USB3.0電纜還必須具備Vcc線和GND線。這種低成本的USB3.0電纜所面臨的挑戰(zhàn)，是需支持很高的截止頻率且不會(huì)在相鄰的差分耦合線對(duì)之間形成干擾(圖2a)。
圖2a：USB3.0電纜結(jié)構(gòu)
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為支持USB3.0電纜所包含的全部線路，必須強(qiáng)制規(guī)定采用一種新的連接器形狀。新的USB3.0連接器的基本要求，是必須向下兼容USB2.0連接器。從ESD的角度看，這導(dǎo)致標(biāo)準(zhǔn)A連接器的超高速線路很容易發(fā)生ESD沖擊(在主機(jī)側(cè)和設(shè)備側(cè))。一種強(qiáng)有力的對(duì)策是在USB3.0鏈路中實(shí)現(xiàn)有效的ESD防護(hù)機(jī)制。
圖2b：USB3.0電纜結(jié)構(gòu)
超高速數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)面臨的一個(gè)最嚴(yán)峻的問題,是確保在接收端實(shí)現(xiàn)一定程度的信號(hào)完整性。很高的信號(hào)完整性有助于實(shí)現(xiàn)很低的誤碼率(例如,對(duì)于USB3.0超高速模式，典型誤碼率為1E-12)。眼圖描述了信號(hào)完整性的特性。在擁有無限帶寬的完美系統(tǒng)中，眼圖完全張開。在實(shí)際的系統(tǒng)中，發(fā)送和接收阻抗(90歐姆差分阻抗)以及發(fā)送側(cè)和接收側(cè)的所有寄生電容，限制了信號(hào)的上升時(shí)間/下降時(shí)間。這些寄生電容存在于USB3.0收發(fā)器內(nèi)部和/或PCB外部。不匹配的PCB線路、USB3.0連接器或其它并聯(lián)電容器等，均會(huì)造成外部寄生電容。因此，這些額外的并聯(lián)電容器必須盡可能小。還必須考慮到USB3.0電纜的低通頻率響應(yīng)(圖2b)。為抵消高頻內(nèi)容的衰減，可在發(fā)送側(cè)和接收側(cè)利用專用均衡器改變信號(hào)。這些措施均有助于加快信號(hào)上升和下降邊的速度，從而得到張得更開的眼圖(即更高的信號(hào)完整性)(見圖3a和圖3b)。
為實(shí)現(xiàn)適當(dāng)?shù)男盘?hào)完整性性能，TVS二極管的電容必須很低，但TVS二極管也必須提供較高的ESD包含水平。
圖4a、b為整個(gè)USB3.0鏈路的眼圖模擬圖(誤碼率為1E-6)。在圖4a中，所用的接收信號(hào)是在未經(jīng)接收端均衡器處理之前。在圖4b中，所用的接收信號(hào)是經(jīng)接收端均衡器處理之后。紅色的內(nèi)輪廓線所示為用外推法得到的誤碼率為1E-12時(shí)的眼圖張開程度。紅紫色輪廓線為USB3.0技術(shù)規(guī)范中規(guī)定的超高速一致性測試的有效值。比較這兩個(gè)眼圖，在接收端使用均衡器的效果顯而易見。
圖4a：未經(jīng)接收端均衡器處理之前的信號(hào)眼圖。 圖4b：經(jīng)接收端均衡器處理之后的信號(hào)眼圖?！ ?/p>
超高速鏈路和USB2.0傳輸鏈路采用了差分耦合90歐姆線路。鏈路內(nèi)部的阻抗不匹配造成的信號(hào)反射會(huì)降低信號(hào)完整性。為避免出現(xiàn)這種情況，包括USB3.0電纜在內(nèi)的整個(gè)布局設(shè)計(jì)，應(yīng)當(dāng)實(shí)現(xiàn)90歐姆差分阻抗匹配。
為盡量減少斜率下降，并且提供相同的延遲時(shí)間，所有差分耦合線路均必須為相同的長度。對(duì)USB3.0電纜而言，這一點(diǎn)尤為重要。斜率下降的多會(huì)降低信號(hào)完整性，從而導(dǎo)致所謂的“差模共模信號(hào)轉(zhuǎn)換”。所產(chǎn)生的共模信號(hào)會(huì)影響EMI測試的順利進(jìn)行。阻抗匹配的適當(dāng)布局設(shè)計(jì)，能避免這些問題。
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USB3.0超高速鏈路和USB2.0鏈路的布局布線考慮
在整個(gè)USB3.0鏈路的布局布線設(shè)計(jì)中，應(yīng)考慮下列因素：(1)所有PCB線路和互連電纜均采用完全阻抗匹配的90歐姆差分設(shè)計(jì)。(2)必須最大限度地減少非差分耦合線路。(2)非差分耦合線路會(huì)嚴(yán)重影響眼圖的內(nèi)眼張開程度。(3)90歐姆差分耦合PCB線路的線路寬度和線路間隔不應(yīng)太窄，以避免造成額外的損耗，同時(shí)便于生產(chǎn)。從生產(chǎn)的角度而言，差分線路的理想線路寬度為0.3毫米，線路間隔為0.2毫米，這會(huì)形成200微米的電介質(zhì)高度(假設(shè)FR4，且er=4)。(4)差分耦合鏈路的正電和負(fù)電線路(包括USB3.0電纜)之間的延遲(線路長度)完全相同(最大限度地減少斜率下降)。對(duì)于保持很高的信號(hào)完整性和避免生成共模信號(hào)，這一點(diǎn)很重要。圖5為具備ESD防護(hù)電路的USB3.0標(biāo)準(zhǔn)A連接器橫截面的布局布線設(shè)計(jì)示例。
圖5：具備ESD防護(hù)電路的標(biāo)準(zhǔn)A連接器USB3.0布局布線設(shè)計(jì)建議
USB3.0的新型ESD防護(hù)策略
持續(xù)不斷地減小芯片的各個(gè)組件的尺寸是降低生產(chǎn)成本、提高工作頻率的根本，但與此同時(shí)，這種微型化也產(chǎn)生了新的問題(如容易發(fā)生ESD擊穿)。因此，對(duì)提供可靠的ESD防護(hù)機(jī)制的要求與日俱增。
USB3.0可提供最高5Gbps的數(shù)據(jù)率，因此基本頻率高達(dá)2.5GHz。為實(shí)現(xiàn)很高的信號(hào)完整性，數(shù)據(jù)信號(hào)的上升時(shí)間和下降時(shí)間必須非常短。對(duì)第3諧波或第5諧波的處理，不應(yīng)發(fā)生明顯衰減。這些只能通過利用寄生效應(yīng)最小、半導(dǎo)體開關(guān)速度最快的尖端半導(dǎo)體制程才能實(shí)現(xiàn)。這種微型化半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)，是對(duì)ESD沖擊造成的過壓的耐受能力降低。采用內(nèi)置ESD防護(hù)裝置，會(huì)引起寄生效應(yīng)(寄生電容)，并且需要占用很大的片上空間。
一種十分經(jīng)濟(jì)高效的方法，是同時(shí)采用內(nèi)置ESD防護(hù)機(jī)制(集成到USB3.0收發(fā)器中)，以及專為提供外部ESD防護(hù)而定制的性能增強(qiáng)(即高電流)應(yīng)用電路(由器件/電路設(shè)計(jì)者在電路板上實(shí)現(xiàn))。內(nèi)置ESD防護(hù)機(jī)制旨在提供器件級(jí)保護(hù)，例如，嚴(yán)格遵守HBM JEDEC JESD 22-A115要求。內(nèi)置ESD防護(hù)對(duì)在開發(fā)、生產(chǎn)和電路板裝配過程中安全地拿放器件很重要。專為該應(yīng)用定制的外部TVS二極管則按照IEC61000-4-2標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)了更加嚴(yán)格的系統(tǒng)級(jí)保護(hù)。
為提供適當(dāng)?shù)腢SB3.0系統(tǒng)級(jí)ESD防護(hù)，ESD防護(hù)器件(TVS二極管)必須滿足不同的要求?？蓞⒄誌EC61000-4-2標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)殘留箝位電壓和TVS二極管對(duì)ESD沖擊的響應(yīng)，判斷TVS二極管的ESD防護(hù)性能。
TVS二極管的ESD防護(hù)性能會(huì)受TVS二極管的一些特性影響，比如最低R_on(動(dòng)態(tài)電阻R_dynamic)和專為該應(yīng)用定制的最低V_breakdown。
根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，可以計(jì)算出箝位電壓(V_clamp)：
為確保應(yīng)用的安全，壓敏電壓必須與所保護(hù)的線路上的最高電源電壓和最高信號(hào)電平相一致。動(dòng)態(tài)電阻(R_dyn)應(yīng)當(dāng)盡可能小。結(jié)合最優(yōu)壓敏電壓和最低動(dòng)態(tài)電阻，可最大限度地減小IC上的殘留ESD應(yīng)力。
可根據(jù)傳輸線路脈沖(TLP)測定值，推導(dǎo)出動(dòng)態(tài)電阻(圖5)。
圖6：專為USB3.0超高速模式提供ESD防護(hù)而定制的英飛凌ESD3V3U4UL TVS二極管的TLP測定結(jié)果。
根據(jù)TLP測定圖，可計(jì)算出動(dòng)態(tài)電阻(圖6)：
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為對(duì)USB3.0超高速鏈路提供靜電防護(hù)，英飛凌專為該應(yīng)用定制了一只動(dòng)態(tài)電阻僅為0.3歐姆左右、最高反向工作電壓為3.3V(壓敏電壓最低4V)的TVS二極管(ESD3V3U4ULC)。在測試中，16A的ESD沖擊的箝位電壓為11V，這在當(dāng)今市場上的同類產(chǎn)品中堪稱佼佼者。
備注：按照IEC61000-4-2標(biāo)準(zhǔn)，所用16A TLP測試脈沖非常適合8KV接觸ESD沖擊，在30ns點(diǎn)上提供了16A的ESD電流。
為保護(hù)另外的USB2.0鏈路，TVS二極管必須提供稍高一些的反向工作電壓/壓敏電壓。為支持全速和低速模式，必須提供更高的壓敏電壓，從而形成最高+5V左右的信號(hào)振幅。英飛凌ESD5V3U1U和ESD5V3U2U系列可提供最低5.3V的反向工作電壓(壓敏電壓最低6V)，二極管電容典型值為0.4pF。
帶ESD防護(hù)的USB3.0超高速鏈路的信號(hào)完整性
分別在帶ESD防護(hù)和未帶ESD防護(hù)的情況下，對(duì)圖1所示的整個(gè)USB3.0超高速鏈路執(zhí)行了信號(hào)完整性模擬。
整個(gè)收發(fā)部分具備90歐姆差分阻抗，考慮了發(fā)送側(cè)和接收側(cè)的寄生效應(yīng)。測得數(shù)據(jù)表明了USB3.0電纜的狀態(tài)。規(guī)定最長USB3.0電纜長度為3米。
為對(duì)USB3.0超高速鏈路提供ESD防護(hù)，在主機(jī)側(cè)和設(shè)備側(cè)均配置了英飛凌ESD3V3U4ULC。ESD3V3U4ULC具備卓越的ESD防護(hù)性能，并且二極管電容(二極管對(duì)地)極低，典型值為0.5pF。
在模擬中考慮了USB3.0超高速鏈路的基本布局布線設(shè)計(jì)規(guī)則(見圖5)
在對(duì)整條USB3.0超高速鏈路執(zhí)行的信號(hào)完整性模擬中，按照USB3.0一致性測試標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了發(fā)送側(cè)信號(hào)去加重和接收端均衡器，并分析了經(jīng)接收端均衡器處理之后的超高速信號(hào)的眼圖。模擬所用誤碼率為1E6。根據(jù)模擬結(jié)果，推導(dǎo)出誤碼率為1E12時(shí)的眼圖張開程度(紅色和藍(lán)色輪廓線)。
分別在未帶TVS二極管(紅色輪廓線)和帶有TVS二極管(ESD3V3U4ULC，藍(lán)色輪廓線)的情況下，計(jì)算出眼圖的張開程度(圖7)。
圖7：在主機(jī)側(cè)和設(shè)備側(cè)帶和未帶ESD3V3U4ULC時(shí)的眼圖。
在主機(jī)側(cè)和設(shè)備側(cè)帶有超低電容TVS二極管ESD3V3U4ULC，眼圖張開程度(輪廓線)會(huì)受到一定影響。雖然眼圖張開程度會(huì)略微減小，但相比于USB3.0技術(shù)規(guī)范中規(guī)定的基準(zhǔn)模式(紅紫色輪廓線)，仍大出許多。
本文小結(jié)
必須精心設(shè)計(jì)USB3.0鏈路，以實(shí)現(xiàn)最優(yōu)系統(tǒng)級(jí)ESD防護(hù)性能，并且強(qiáng)制要求實(shí)現(xiàn)毫厘不差的信號(hào)完整性。為同時(shí)滿足這兩個(gè)要求，ESD防護(hù)器件必須具有卓越的ESD防護(hù)性
能和很低的器件電容。采用“陣列”配置的英飛凌ESD3V3U4ULC，結(jié)合清楚明了的布局布線設(shè)計(jì)和高質(zhì)量鏈路(USB3.0電纜)，能夠?qū)崿F(xiàn)上述要求。
