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針對USB3.0設(shè)計(jì)的ESD防護(hù)方案

發(fā)布時(shí)間:2013-01-05 責(zé)任編輯:hedyxing

【導(dǎo)讀】用戶在使用USB時(shí)經(jīng)常隨插即用、隨拔即關(guān),然而這個(gè)熱插拔動作卻也經(jīng)常是造成USB控制芯片毀壞的元兇。因?yàn)樵跓岵灏沃?,由于接口端的訊號線已經(jīng)帶電,本身就像是個(gè)帶電的大電容會在接觸系統(tǒng)時(shí)作放電動作。這種現(xiàn)象等同于靜電放電效應(yīng),會對系統(tǒng)產(chǎn)生嚴(yán)重破壞。

隨著芯片大廠英特爾2012年推出Ivy Bridge新平臺,芯片組支持USB 3.0,確認(rèn)USB 3.0成為主流規(guī)格,預(yù)計(jì)在新的操作系統(tǒng)Windows 8發(fā)酵下,將促成USB 3.0快速地普及化。USB 3.0的數(shù)據(jù)傳輸速度達(dá)到5Gbps,比USB 2.0快上十倍。為實(shí)現(xiàn)如此高速的傳輸速度,USB 3.0控制芯片必須使用最先進(jìn)的半導(dǎo)體制程技術(shù),所使用的組件閘極氧化層很薄且接面很淺,造成USB 3.0的控制芯片對ESD的耐受能力快速下降。

另一個(gè)問題在于使用者最普遍的USB應(yīng)用就是隨插即用、隨拔即關(guān),然而這個(gè)熱插拔(Hot Plug)動作卻也經(jīng)常是造成電子系統(tǒng)工作異常,甚至造成USB控制芯片毀壞的元兇。因?yàn)樵跓岵灏沃?,由于接口端的訊號線已經(jīng)帶電,本身就像是個(gè)帶電的大電容會在接觸系統(tǒng)時(shí)作放電動作。這種現(xiàn)象等同于靜電放電效應(yīng),會對系統(tǒng)產(chǎn)生嚴(yán)重破壞,我們一般稱這種現(xiàn)象為直接放電(Direct Injection)。

使用傳輸線脈沖產(chǎn)生系統(tǒng)量測AZ1065的電流對電壓曲線
圖一、使用傳輸線脈沖產(chǎn)生系統(tǒng)量測AZ1065的電流對電壓曲線
 
目前在系統(tǒng)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(chǎn)品,以此來仿真系統(tǒng)在客戶端使用時(shí)遭受到ESD事件的狀況。部分系統(tǒng)廠商甚至規(guī)范其產(chǎn)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,并且系統(tǒng)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(hù)組件于USB 3.0接口來防止ESD事件對數(shù)據(jù)傳輸?shù)母蓴_,是絕對需要的。

對于USB 3.0的高速接口而言,在選擇ESD保護(hù)組件時(shí)必須考慮到以下幾個(gè)要點(diǎn):

1. ESD保護(hù)組件若要能對系統(tǒng)提供有效保護(hù),除了本身要能承受夠高的ESD轟擊外,還需要考慮箝制電壓(Clamping Voltage)是否足夠低,使得ESD的能量能被箝制在更低的電壓以防止系統(tǒng)內(nèi)部電路受到損毀。因此箝制電壓是判斷ESD保護(hù)組件對于系統(tǒng)電路保護(hù)效能最重要的參數(shù)。

2. 為確保USB 3.0高速訊號傳輸時(shí)不會受到影響以及訊號的完整性,所以選擇ESD保護(hù)組件時(shí),必須選擇其寄生電容越低越好,建議選擇寄生電容必須低于0.3pF。

3. 在電子產(chǎn)品朝向輕薄短小的發(fā)展趨勢下,產(chǎn)品使用的印刷電路板面積已變得寸土寸金。針對USB 3.0接口,使用單顆多信道的ESD保護(hù)組件為目前最經(jīng)濟(jì)有效的選擇。

晶焱科技擁有先進(jìn)的ESD防護(hù)設(shè)計(jì)技術(shù),特別針對USB 3.0的防護(hù)需求,推出AZ1065系列的ESD保護(hù)組件。為避免保護(hù)組件的寄生電容影響USB 3.0的高速傳輸,AZ1065系列產(chǎn)品的寄生電容低于0.3pF,能夠順利通過5Gbps的Eye Diagram測試。

最重要的,AZ1065系列產(chǎn)品擁有最低的ESD箝制電壓,能夠有效地協(xié)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沖產(chǎn)生系統(tǒng)(TLP)量測AZ1065系列產(chǎn)品的電流對電壓曲線。在IEC 61000-4-2接觸模式6kV的ESD沖擊下(等效TLP電流約為17A),箝制電壓僅有13V,能有效避免系統(tǒng)產(chǎn)品于ESD測試時(shí)發(fā)生數(shù)據(jù)錯(cuò)誤、當(dāng)機(jī)甚至損壞的情況。


使用AZ1065作為USB 3.0的ESD防護(hù)
圖二、使用AZ1065作為USB 3.0的ESD防護(hù)


此外,AZ1065系列產(chǎn)品提供了6個(gè)極低電容的接腳,可同時(shí)保護(hù)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(hù),具有縮小印刷電路板面積與降低布局(Layout)復(fù)雜度等優(yōu)點(diǎn),可節(jié)省系統(tǒng)成本。更特別的是其DFN-10的封裝并且采用交錯(cuò)型式的接腳,提供印刷電路板布局時(shí)可利用穿透式(Feed through)的設(shè)計(jì),如圖二所示。因此,AZ1065系列產(chǎn)品為目前USB 3.0的最佳ESD解決方案。
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