中心議題：

• ESD保護時如何維持USB信號完整性
• ESD保護二極管的電容量及其對USB2.0高速信號的影響

解決方案：

• 其它元器件可能會增加大量的電容，造成信號質量進一步下降
• 合適的ESD方案能保護敏感線路
  ，又不增加會導致信號質量降低的電容的挑戰

手機、MP3播放器和其它電子產品中，通用串行總線(USB)已經成為一項流行特性。USB使得數據在不同電子設備之間的傳輸更快更方便，對於那些使用USB2.0端口的產品而言尤為如此。USB2.0的數據傳輸率達480Mbps。

隨(sui)著(zhe)常(chang)見(jian)文(wen)件(jian)的(de)大(da)小(xiao)持(chi)續(xu)增(zeng)加(jia)
，高(gao)數(shu)據(ju)率(lv)也(ye)變(bian)得(de)越(yue)來(lai)越(yue)重(zhong)要(yao)。在(zai)這(zhe)種(zhong)等(deng)級(ji)的(de)數(shu)據(ju)率(lv)，為(wei)數(shu)據(ju)線(xian)路(lu)增(zeng)加(jia)任(ren)何(he)電(dian)容(rong)都(dou)可(ke)能(neng)造(zao)成(cheng)信(xin)號(hao)波(bo)形(xing)失(shi)真(zhen)

，導(dao)致(zhi)數(shu)字(zi)數(shu)據(ju)傳(chuan)輸(shu)的(de)中(zhong)斷(duan)和(he)/或故障。這就對USB2.0接口上使用的靜電放電(ESD)保護器件提出了更高的要求。ESD保護器件在正常數據傳輸期間必須對信號保持透明狀態，而在係統級ESD兼容性測試或應用現場中遭受實際ESD事件時，必須使受保護對象免受損傷或幹擾。如今，設計人員麵對著需要找到合適的ESD保護解決方案，既能保護敏感線路
，又不增加會導致信號質量降低的電容的挑戰。

USB2.0眼圖

可以使用眼圖來評估增加電容對帶寬和信號質量的影響。眼圖提供最低及最高電壓電平以及信號抖動的數字信號。眼圖將能夠暴露出USB數據傳輸完整性方麵的任何問題。

通過在示波器的垂直軸對數字信號進行反複采樣、同時采用相應數據率對水平時間掃描進行觸發來生成眼圖。所獲得的圖形看上去象眼睛
，如圖1所示。“眼睛”越大
，數據完整性越高。通常采用模板(mask)來對可接受的信號質量進行定義。這模板由“眼睛”中間的六角形和“眼睛”上、下的矩陣組成。如果測得的信號跡線穿越模板的邊線，那麼信號質量就不可接受。USB2.0信號模板規範由USB應用者論壇(USBIF,www.usb.org)提供
，可參見USB2.0版規範第7.1.2.2章節。圖1中顯示了帶有詳細臨界點的眼圖。


圖1、USB2.0眼圖

不同電容範圍保護器件的眼圖評估。我們采用480Mbps數據率的USB2.0信號，測量了具有不同電容範圍的三種不同保護器件的眼圖
，並將其與USB2.0模mo板ban進jin行xing比bi較jiao。我wo們men還hai評ping估gu了le不bu帶dai保bao護hu器qi件jian的de電dian路lu板ban，用yong於yu比bi較jiao和he參can考kao。通tong過guo將jiang不bu同tong保bao護hu器qi件jian的de眼yan圖tu與yu沒mei有you保bao護hu器qi件jian的de眼yan圖tu進jin行xing比bi較jiao，可ke以yi展zhan現xian出chu由you保bao護hu器qi件jian導dao致zhi的de信xin號hao衰shuai減jian程cheng度du。需xu要yao說shuo明ming的de是shi，本ben文wen僅jin考kao慮lvESD保護二極管的電容量及其對USB2.0高速信號的影響。在實際設計中
，線路上的其它元器件或電路板本身也可能會增加電容。


圖2
、沒有保護器件所測得的眼圖

圖2顯示的是沒有保護器件時的測試信號。這代表了沒有信號衰減的純粹USB2.0高速信號，因為線路上沒有另外增加電容。
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圖3顯示的是增加了0.5pF電容ESD保護器件(安森美半導體超低電容ESD器件ESD9L5.0ST5G)的USB2.0高速信號眼圖。

這眼圖反映出信號沒有重要變化或區別。這0.5pF電容ESD器件由於電容值是如此之低，對數據信號完整性的負作用可以忽略不
計。這就為設計人員提供了極佳的ESD保護選擇，具有最高的靈活性
，將電容預算留給增加其它元件。


圖3、增加ESD9L5.0ST5G0.5pF電容ESD器件所測得的USB2.0高速信號眼圖。

下一項測試采用的是6.0pF電容的ESD保護器件(安森美半導體ESD9C5.0ST5G)，見圖4。由you於yu電dian容rong增zeng加jia，與yu沒mei有you增zeng加jia電dian容rong的de測ce試shi相xiang比bi
，可ke以yi從cong眼yan圖tu觀guan察cha到dao信xin號hao質zhi量liang明ming顯xian下xia降jiang。主zhu要yao的de下xia降jiang體ti現xian在zai上shang升sheng時shi間jian和he下xia降jiang時shi間jian的de增zeng加jia。圖tu4suoshideyantukanshangqukeyijieshou
，danyexianshichubaohuqijianzhanyonglejidabufendedianrongyusuan。zaidaduoshushejizhong，shejizhongdeqitayuanqijiankenenghuizengjiadaliangdedianrong，zaochengxinhaozhiliangjinyibuxiajiang。zhe6.0pF電容ESD保護器件將需要在最終係統設計中進行測試，以確保它仍然可以接受，並在增加其它元器件的情況下能夠滿足兼容性要求。


圖4、ESD9C5.0ST5G6pF器件，其中箭頭重點說明了采用較高電容器件時開始出現信號質量下降。

最後測試采用65pF電容ESD保護器件(安森美半導體ESD9X5.0ST5G)來進行
，見圖5。這眼圖顯示信號質量退化嚴重，上升和下降時間顯示增加。信號跡線穿越USB2.0眼圖模板，顯示這保護器件不能用於USB2.0應用。


ESD9L5.0ST5G的超低電容(0.5pF)為USB2.0高速應用提供了最佳的半導體ESD保護器件設計選擇。

上述眼圖研究顯示ESD9L5.0ST5G對邏輯電平的影響極低，並且不會使上升時間和下降時間出現失真。除了對數據信號傳輸沒有幹擾
，這器件還擁有高於8kV的ESD額定電平，為設計人員提供極佳的ESD保護器件選擇
，不僅能夠提供所需的ESD保護
，同時還維持信號完整性。