針對USB3.0設計的ESD防護方案
發布時間:2013-01-05 責任編輯:hedyxing
【導讀】用戶在使用USB時經常隨插即用、隨拔即關,然而這個熱插拔動作卻也經常是造成USB控(kong)製(zhi)芯(xin)片(pian)毀(hui)壞(huai)的(de)元(yuan)凶(xiong)。因(yin)為(wei)在(zai)熱(re)插(cha)拔(ba)中(zhong),由(you)於(yu)接(jie)口(kou)端(duan)的(de)訊(xun)號(hao)線(xian)已(yi)經(jing)帶(dai)電(dian),本(ben)身(shen)就(jiu)像(xiang)是(shi)個(ge)帶(dai)電(dian)的(de)大(da)電(dian)容(rong)會(hui)在(zai)接(jie)觸(chu)係(xi)統(tong)時(shi)作(zuo)放(fang)電(dian)動(dong)作(zuo)。這(zhe)種(zhong)現(xian)象(xiang)等(deng)同(tong)於(yu)靜(jing)電(dian)放(fang)電(dian)效(xiao)應(ying),會(hui)對(dui)係(xi)統(tong)產(chan)生(sheng)嚴(yan)重(zhong)破(po)壞(huai)。
隨著芯片大廠英特爾2012年推出Ivy Bridge新平台,芯片組支持USB 3.0,確認USB 3.0成為主流規格,預計在新的操作係統Windows 8發酵下,將促成USB 3.0快速地普及化。USB 3.0的數據傳輸速度達到5Gbps,比USB 2.0快上十倍。為實現如此高速的傳輸速度,USB 3.0控製芯片必須使用最先進的半導體製程技術,所使用的組件閘極氧化層很薄且接麵很淺,造成USB 3.0的控製芯片對ESD的耐受能力快速下降。
另一個問題在於使用者最普遍的USB應用就是隨插即用、隨拔即關,然而這個熱插拔(Hot Plug)動作卻也經常是造成電子係統工作異常,甚至造成USB控kong製zhi芯xin片pian毀hui壞huai的de元yuan凶xiong。因yin為wei在zai熱re插cha拔ba中zhong,由you於yu接jie口kou端duan的de訊xun號hao線xian已yi經jing帶dai電dian,本ben身shen就jiu像xiang是shi個ge帶dai電dian的de大da電dian容rong會hui在zai接jie觸chu係xi統tong時shi作zuo放fang電dian動dong作zuo。這zhe種zhong現xian象xiang等deng同tong於yu靜jing電dian放fang電dian效xiao應ying,會hui對dui係xi統tong產chan生sheng嚴yan重zhong破po壞huai,我wo們men一yi般ban稱cheng這zhe種zhong現xian象xiang為wei直zhi接jie放fang電dian(Direct Injection)。

圖一、使用傳輸線脈衝產生係統量測AZ1065的電流對電壓曲線
目前在係統的靜電放電測試上,越來越多的廠商要求以Direct-Pin Injection方式測試產品,以此來仿真係統在客戶端使用時遭受到ESD事件的狀況。部分係統廠商甚至規範其產品的USB 3.0連接端口以Direct-Pin Injection方式測試必須通過±8kV的ESD轟擊,並且係統必須在不受任何影響之下通過測試。因此,使用額外的ESD保護組件於USB 3.0接口來防止ESD事件對數據傳輸的幹擾,是絕對需要的。
對於USB 3.0的高速接口而言,在選擇ESD保護組件時必須考慮到以下幾個要點:
1. ESD保護組件若要能對係統提供有效保護,除了本身要能承受夠高的ESD轟擊外,還需要考慮箝製電壓(Clamping Voltage)是否足夠低,使得ESD的能量能被箝製在更低的電壓以防止係統內部電路受到損毀。因此箝製電壓是判斷ESD保護組件對於係統電路保護效能最重要的參數。
2. 為確保USB 3.0高速訊號傳輸時不會受到影響以及訊號的完整性,所以選擇ESD保護組件時,必須選擇其寄生電容越低越好,建議選擇寄生電容必須低於0.3pF。
3. 在電子產品朝向輕薄短小的發展趨勢下,產品使用的印刷電路板麵積已變得寸土寸金。針對USB 3.0接口,使用單顆多信道的ESD保護組件為目前最經濟有效的選擇。
晶焱科技擁有先進的ESD防護設計技術,特別針對USB 3.0的防護需求,推出AZ1065係列的ESD保護組件。為避免保護組件的寄生電容影響USB 3.0的高速傳輸,AZ1065係列產品的寄生電容低於0.3pF,能夠順利通過5Gbps的Eye Diagram測試。
最重要的,AZ1065係列產品擁有最低的ESD箝製電壓,能夠有效地協助USB 3.0接口通過以Direct-Pin Injection方式的±8kV靜電放電轟擊。圖一為利用傳輸線脈衝產生係統(TLP)量測AZ1065係列產品的電流對電壓曲線。在IEC 61000-4-2接觸模式6kV的ESD衝擊下(等效TLP電流約為17A),箝製電壓僅有13V,能有效避免係統產品於ESD測試時發生數據錯誤、當機甚至損壞的情況。

圖二、使用AZ1065作為USB 3.0的ESD防護
此外,AZ1065係列產品提供了6個極低電容的接腳,可同時保護USB 3.0的兩組差動對(TX和RX)與USB 2.0的差動對(D+和D-),以及電源端VBUS的保護,具有縮小印刷電路板麵積與降低布局(Layout)複雜度等優點,可節省係統成本。更特別的是其DFN-10的封裝並且采用交錯型式的接腳,提供印刷電路板布局時可利用穿透式(Feed through)的設計,如圖二所示。因此,AZ1065係列產品為目前USB 3.0的最佳ESD解決方案。
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