【導讀】在為 USB 3.0 系統(tǒng)增加 ESD 保護時，有四個關鍵技術：低電容/低插入損耗，優(yōu)化信號完整性，ESD 器件的穩(wěn)健性及與下游被保護 IC 的相互作用，小型直通（flow-through）ESD 器件封裝，優(yōu)化的布局。只有真正掌握這四個技術，USB 3.0的ESD保護才能滴水不漏。
1. 通用串行總線（USB）保護的發(fā)展歷程
當 USB 2.0 在 1999 年面世時，其 480Mbps 半雙工差分信道就對設計人員實現(xiàn)靜電放電（electrostatic discharge, ESD）保護帶來了艱難的挑戰(zhàn)，因為當時的低電容瞬變電壓抑制器（Transient Voltage Suppressor, TVS）的寄生電容高達1- 1.2pF。隨后推出的 USB 3.0 或超高速（SuperSpeed ）USB接口，不但保留了一樣的物理 2.0 接口，而且由于增加了兩個5Gbps 雙單工差分對（一個 Tx 對和一個 Rx 對），保護問題也變得復雜化，如圖 1 所示。
過去，分立 TVS 市場落后于摩爾定律（Moore’s Law）。內(nèi)部的 CPU 時鐘頻率和內(nèi)存容量在增加，而外部數(shù)字器件 I/O 接口的速度卻跟不上。隨著 IC 內(nèi)部的并行 PCI 總線升級到串行總線（PCI Express），外部 I/O 也統(tǒng)一成為高速差分連接，如USB、火線（FireWire）和 eSATA 接口。
圖 1：USB 3.0 較 USB 2.0 增加了兩個 5Gbps 雙單工差分對
保護技術的開發(fā)
帶寬的迅速增加對連接器構成了另一種保護挑戰(zhàn)：芯片組接口速度增加了而硅尺寸卻不斷減小。這種更快速度和更小型I/O 單元的組合，增加了芯片組 I/O 接口的 ESD 敏感性，同時卻限制了外部負載阻抗裕量，因而使得低電容 ESD 保護器的電容不再足夠低。因此，設計人員已經(jīng)從“拷貝和粘貼”通用的分立 ESD 組件布局轉(zhuǎn)變到新設計中，并針對時序、阻抗匹配和插入損耗進行仔細的線路板特性化設計。
USB 3.0 的 ESD 保護
在為 USB 3.0 系統(tǒng)增加 ESD 保護時，設計人員必須考慮所選器件的電容和電感給高速差分信號時序所帶來的潛在影響。在每個SuperSpeedUSB差分對中以5Gbps速度工作時，線路上任何的額外阻抗都會使信號失真，導致：
• 更難滿足眼圖對于上升時間和信號電平的要求
• 給線路板設計帶來額外的限制
• 導致不同電纜（質(zhì)量和長度）間的互操作性問題
為了最大限度地減小對這些高速線路的時序影響，并為下游芯片組提供充分的保護，在選擇 ESD 保護器件方面需要考慮。
四個關鍵技術事項：
1. 低電容/低插入損耗，優(yōu)化信號完整性
2. ESD 器件的穩(wěn)健性及與下游被保護 IC 的相互作用
3. 小型直通（flow-through）ESD 器件封裝
4. 優(yōu)化的布局
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2. 低電容 / 低插入損耗
放置在電路節(jié)點上的任何保護器件都會增加系統(tǒng)的寄生電氣成分。即使是理想的箝位器件的布線也會在 PCB 中產(chǎn)生不可避免的干擾，包括 PCB 上焊盤形成的平板電容器所產(chǎn)生的寄生電容，以及扇入 / 扇出（fan-in/fan-out）時的蛇行走線或不可避免的通孔引起的不連續(xù)性電感。
電容測量
在重新檢視 TVS 規(guī)范時，某些共同的特征參數(shù)主要是根據(jù)以往實驗室測量 條件所列出的，而不是為了讓系統(tǒng)設計人員獲得更方便和更全面的選擇而特別收集的數(shù)據(jù)。例如，輸入電容（CIN）或信道電容（CCH）常常定義在 1MHz 上測量，因為以往的分立和邏輯器件采用 1MHzLCR 測量計來進行測量。然而，對于一個 5GBps PHY I/O 引腳，不太可能測量 1MHz 下的電容；而對于針對于這種高速信號應用的器件，如果只測量這樣的電容值實在令人驚訝。
因此，更有成效的方法是考慮阻抗和插入損耗，因為電路中的器件處于相關的頻率和諧波下（超過數(shù)百 MHz 和 GHz 的USB3.0），而非嘗試在前沿應用上考慮舊有測量條件下的電容值。
TE 電路保護部的硅 ESD（Silicon ESD, SESD）器件展示了在 3GHz 下的特征電容，為設計人員直接指明了它在目標應用中的影響。該信息還可以從器件的 S 參數(shù)模型獲得，作為更復雜的寄生模型的一部分 ，而這種模型包括二極管，封裝電容以及鍵合線電感。然而，提供所關注頻率的有效電容測量值，能夠方便地對集總組件實現(xiàn)一個單一或相關幾個“完整性檢查”，從而節(jié)省設計時間。
插入損耗
在一個信道內(nèi)選擇單個無源組件時，插入損耗特性揭示了該組件在信道上的主要相關寄生效應影響。
在圖 2 中可以注意到，因為測量設備的限制，故插入損耗測量被限制在 6GHz，在 USB 3.0 中缺乏 3 次和 5 次諧波的7.5GHz 和 12.5GHz。的確，在某一情況下任何 TVS 器件都將展示出自諧振現(xiàn)象，這里主信道電容和鍵合線電感將使插入損耗無效。在超過該頻率之后，鍵合線電感將趨向于從加載信道中隔離寄生電容。然而，根據(jù)圖2的性能描述，其它因素，比如較高介電常數(shù) PCB 材料的走線和損耗，可能趨向于壓倒 TVS器件的衰減影響。（采用 TDR 分析和其它技術，可以進一步識別這些效應。）
對于 TVS 器件的首次評測，在 2.5 GHz 下插入損耗圖顯示為 < -0.5dB，這是適用于 USB 3.0 系統(tǒng)的精確指示。在 2.5GHz下，TE 電路保護部的低電容 SESD 數(shù)組具有 -0.29dB 的低插入損耗，為整體系統(tǒng)提供了充足的余量。眼光敏銳的設計人員將在差分插入損耗、串擾和其它針對特殊應用環(huán)境的指標方面尋找更多細節(jié)。
圖 2：硅 ESD（SESD）器件的單端插入損耗示例
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3.ESD 穩(wěn)健性及與下游 IC 的相互作用
系統(tǒng)級穩(wěn)健性：TVS與ASIC保護的相互作用
采用深亞微米（deep submicron）ASIC 技術構成的保護電路本身就是快速的，并且可以在非常低的電壓上進行箝位；但極小的幾何尺寸也限制了集成的箝位保護區(qū)域的尺寸，以及總的功率處理能力。單個TVS 器件芯片的幾何尺寸可能大于受保護 ASIC 中的整個邏輯模塊，比如受保護的 PHY，以便耗散高等級 IEC 沖擊的峰值功率。
設計工程師必須時刻緊記驗證外部 TVS 和 ASIC 之間的系統(tǒng)相互作用。
系統(tǒng)穩(wěn)健性目標
現(xiàn)實世界中，ESD 穩(wěn)健性依賴于有關安全邊際的設想，以及沖擊事件能量隨時間的不確定性分布。即使說一個器件在8kV 下能夠經(jīng)受最少 10 次沖擊試驗，但此信息并未清晰指出它的穩(wěn)健性，例如該器件在 8kV 下可能無法經(jīng)受第 11 次沖擊，而且它可能甚至無法在 3kV 下經(jīng)受第 11 次沖擊。
對于多次沖擊能力，業(yè)界已經(jīng)進行了嘗試來擴展置信度（confidence）的描述，或者在給定的穩(wěn)健性水平上要求1,000 次連續(xù)沖擊來證明使用壽命的重復性。
假如在金屬化失效之前的局部細絲或隨后的 EOS 而導致的ESD 器件或 ASIC 的 I/O 單元發(fā)生了短路，那么器件可能會是短路失效。假如在短路損壞了器件內(nèi)的互連后使器件失效，那么結(jié)果可能是開路。
假如器件短路失效，那么 ASIC 會受到保護，避免受到進一步?jīng)_擊，但系統(tǒng)端口功能可能失效。假如器件開路失效，下一次沖擊將很可能損壞 ASIC I/O 并可能永久損壞 ASIC 的較多部分。對于具有集成 USB 3.0 端口的核心邏輯芯片來說，這也許意味著整個系統(tǒng)無法運作。
這樣，那些通過標準 IEC61000-4-2 仿真器再建的預計的實際脈沖強度，可以被視為是概率分布（probabilistic distribution），而沒有清晰的分界點。因此，器件可以承受的某些擴展的特性化“異常值”，將幫助建立分布周界的概念，以及可能的穩(wěn)健性邊際。具有已證明的 8kV 下多次沖擊性能以及10kV 下 50 次脈沖能力的器件，較額定值為 10kV 下 10 次脈沖的器件具有更好的穩(wěn)健性。
按照 IEC6100-4-2 標準，TE 電路保護部的 SESD 器件規(guī)定為 8kV 下通過 1000 次沖擊、10kV 下通過 100 次沖擊，以及20kV 下通過 1 次沖擊。
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4. 小型直通 ESD 器件封裝
在 ESD 保護方面，封裝技術的發(fā)展一直是關鍵的設計因素。SOT-23 和 MSOP-10 封裝曾經(jīng)是 TVS 組件封裝的主流，但已不能被現(xiàn)在低電容應用如 USB 3.0 接受。之前被認為緊湊的傳統(tǒng)封裝，即便在 TVS 器件安裝前，也會由于需要更大的 PCB焊盤，而焊盤固然會引入的更多寄生電容。
為了滿足現(xiàn)今領先的高速應用要求，硅 ESD 器件必須考慮應用產(chǎn)品的焊盤尺寸和 PCB 布線難題，這已推動了對直通布局的需要。
而且，為滿足應用的時序和插入損耗要求，現(xiàn)今最高性能硅 ESD 器件削減少了封裝尺寸，以便減小長感性引線框和鍵合線的寄生效應，而且還節(jié)省了線路板空間。此外，現(xiàn)今最新的硅 ESD 器件，如 TE 電路保護部的 SESD 器件，提供了行業(yè)最小和最短的高度和直通封裝（見圖 4 和圖 5）。它們還具有更低的封裝高度，以實現(xiàn)鍵合線長度及寄生阻抗最小化。而且，高度降低的器件非常適合于今天的超薄移動/便攜應用。
圖 4：SESD 封裝減少了 2/3 的焊盤面積和電容
圖 5：SESD 封裝為單信道和多信道器件帶來的優(yōu)勢
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5. 優(yōu)化布局
具 USB 功能的產(chǎn)品的設計人員往往面對一個普遍挑戰(zhàn)：就是縮短上市時間。在設計高頻應用時，參考布局在最大限度地減少設計風險、工程技術費用和重新設計時間方面，發(fā)揮著重要的作用，而為 USB3.0 應用增添 ESD 保護功能也不例外。
TE 電路保護部業(yè)界領先的產(chǎn)品系列為設計人員提供了多種選擇，用于為 USB3.0 應用增添 ESD 保護功能。圖 6至圖 8 說明用于 USB3.0 設計的 ESD 保護布局，TE 電路保護部的聚合物正溫度系數(shù)（PPTC）過電流器件如布局所示，專為 USB3.0下游端口應用而設。
圖 6 顯示一個 6 信道數(shù)組（SESD1103Q6UG-0020-090）， 保護來自 Standard -A USB 3.0 連接器的六個信號線路。圖 7顯示了一個 6 信道數(shù)組（SESD1103Q6UG-0020-090），保護來自 USB 3.0 Micro-B 連接器的六個信號線路。圖 8 顯示兩個 4信道微型數(shù)組（SESD0802Q4UG-0020-090），保護來自USB 3.0 Micro-B 連接器的所有八個信號和 ID / VBUS 線路。（注意：對于在 5Gbps 上運行的 SuperSpeed USB 線路，直連、直通布局可使反射和信號失真最小化。）
對于 TDR 阻抗和串擾，設計人員必須時刻緊記驗證系統(tǒng)中的布局。即使使用其它所要求的符合性測試方法驗證了信道兼容性，對于 TDR，盡量減少被動的不連續(xù)永遠是有好處的。
圖 6：一個 6 信道 SESD 數(shù)組 保護 USB 3.0
圖 7：一個 6 信道 SESD 數(shù)組 保護 USB 3.0 Micro-B
圖 8：兩個 4 信道 SESD 數(shù)組 保護 Micro-USB3.0
總結(jié)
在設計 SuperSpeed USB 系統(tǒng)時，增加 ESD 保護不必是一個復雜和讓人困惑的任務。TE 電路保護部的新型 SESD 器件提供了業(yè)界領先的低電容、最高 ESD 防護等級，以及最小尺寸的直通數(shù)組。對于 USB 3.0 來說，若只需保護六個高帶寬線路時，有效的解決方案就是使用單個 6 信道數(shù)組。若系統(tǒng)要求保護所有八個線路（包括 VBUS 和 ID），設計人員可以使用兩個4 信道微型數(shù)組。當然，用戶需要測試每一個電路。
