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浅析USB3.0接口中的ESD保护资料下载
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2021-04-08
李霞
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USB 3.0能够提供达5 Gbps的数据传输率，比USB 2.0快10倍以上。这有利于满足消费者大幅增加的需求，以访问及分享视讯、音乐及相片等高质量内容。支持USB 3.0的芯片组已经缩减工艺几何尺寸及封装尺寸，从而可以达到如此高的数据率，同时还配合开发更小、更低能耗、功能丰富的便携式多媒体产品。超快数据线路及小几何尺寸元件的结合，大幅增加了产品遭受静电放电(ESD)影响的风险。此文专门针对USB 3.0接口审视ESD保护及阻抗匹配问题，以确保可靠、纯净的高速数据传输。为了使USB 3.0支援5 Gbps的数据率，在旧的USB 2.0数据对(D+和D-)基础上增加了两个差分数据对(超高速Tx及Rx)。此外，配合USB 3.0的芯片组以低至22 nm的半导体工艺为基础。USB 3.0相对于 USB 2.0传输的频率升高，催生了在超高速线路上布设外部ESD保护元件时必须符合的严格阻抗匹配窗口。信号线路上增添任何少量的电容，都会改变阻抗，且因此降低数据传输的总体信号完整性。图1显示了无损耗传输线路的电路表征，其中额定阻抗表征为Z0。此传输线路模型能应用于几乎任何当今高速串联接口中存在的数据线路。此模型可以用于评估将ESD保护元件置于一条或多条数据线路上的效应。在最基本的形式下，可以看到用以保护的数据线路的齐纳二极管形式的ESD保护元件。此二极管有相应的结电容，以及源自封装内部接合线(bond wire)的少量串联电感，而此串联电感会变成数据线路的寄生元件，如图2所示。由于ESD保护元件中典型接合线的感抗通常不高于1 nH，而且ESD保护元件的电容必须不高于1 pF，对于2.5 GHz USB 3.0信号而言，图2中电感的阻抗将低于电容的阻抗，在讨论中可以忽略此感抗。随着数据线路上电压的变化，需要少量的电流来给寄生电容充电。在高频时，信号线路的电压迅速变化，此额外充电电流可能相当可观，因而降低了数据线路中流动的电流。此电流的降低导致数据线路阻抗轻微变化，影响它传输的功率总额。如果功率传输损耗过高，数据线路信号完整性就会出现下降。USB 3.0规格允许最大寄生电容为1.1 pF(此值包含系统中在USB控制器外部的任何电容)。ESD保护元件的电容仅占系统外部电容中的一小部份。因此，当选择此类元件时，工程师应当始终谨记，保护元件的较低电容不仅维持数据线路的的信号完整性，还使下行系统中能够有更大的电容预算。几乎所有ESD保护元件供应商都会标示出1 MHz时的结电容。但仅有少部份供应商也会标示更高频率时的结电容。为了极佳地表征高速应用中的实际元件电容，应当考虑在宽广频率范围测量电容。在USB 3.0中，这就等同于在2.5 GHz基础频率及其7.5 GHz三次谐波频率时进行测量。就像任何电容器一样，保护元件的电容值会随着工作频率之变化而变化，原因就在于寄生阻抗，称作等效串联电容(ESR)。电容的阻抗在较低频率低ESR条件下会保持电容性，然后阻抗持续降低，直至达到电容谐振频率。一旦达到谐振，电容的阻抗将随着ESR的上升而变成电感性。保护元件反射而导致的信号损耗是另一个重要参数——这通常表述为返回损耗的形式。返回损耗测量的是入射波从待测元件反射所出现的能量损耗有多少。ESD保护元件的返回损耗越低，看到的反射就会越少——相当于更多的信号正在被传输。市场上的许多 ESD保护元件在高于5 GHz频率时寄生电容可能会大幅升高，原因就是阻抗达到谐振并变为电感性。对于工程师而言，理解对于数据线路阻抗通道有影响的ESD保护元件的关键参数至关重要。先进ESD保护元件与良好电路板布线技巧的组合，使工程师能够从在设计中整合受保护的USB 3.0接口而受益，而无须在信号完整性上折衷。(mbbeetchina)
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