USB3.0端口的ESD防護(hù)設(shè)計(jì)

在當(dāng)今計(jì)算機(jī)硬件的熱門話題中，USB3.0絕對(duì)是最受矚目的。自從公元2000年USB2.0釋出后，這項(xiàng)應(yīng)用已深植各項(xiàng)電子產(chǎn)品中，在各式各樣的端口規(guī)格中， USB應(yīng)可算是使用最廣泛的了。USB3.0的數(shù)據(jù)傳輸速率比現(xiàn)有的USB2.0快上十倍，剛好迎合日益大增的高畫(huà)質(zhì)、大容量?jī)?chǔ)存需求。無(wú)論是外接式硬盤(pán)、隨身碟、相機(jī)記憶卡均可大幅縮減儲(chǔ)存的時(shí)間。除了在計(jì)算機(jī)上的應(yīng)用之外，手機(jī)與相機(jī)的傳輸也幾乎都是使用USB規(guī)格，甚至許多產(chǎn)品更直接把充電端與USB結(jié)合，難怪各界皆如此期待USB3.0的廣泛使用，好讓用戶享受4.8Gbps的傳輸快感。USB3.0接口分成主機(jī)（Host）端與裝置（Device）端，必須先有Host端的支持，周邊的Device端才能搭配；而芯片大廠英特爾及超威自2010年起亦已開(kāi)始研發(fā)將支持USB3.0為南橋規(guī)格，加上微軟Windows 7也確定研發(fā)支持USB3.0的drivers，預(yù)估USB 3.0取代USB2.0已是既定趨勢(shì)。

　　為實(shí)現(xiàn)十倍于USB2.0的傳輸速度，USB 3.0控制芯片必須使用更先進(jìn)的制程來(lái)設(shè)計(jì)與制造，但這也造成USB 3.0的控制芯片對(duì)ESD的耐受能力快速下降。除此之外，USB 3.0會(huì)被大量用來(lái)傳輸影音數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)傳輸容錯(cuò)率會(huì)有越嚴(yán)格的要求，使得使用額外的保護(hù)組件來(lái)防止ESD事件對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)母蓴_變得很必要。除了傳輸速度的要求之外，另一個(gè)用戶最普遍的USB應(yīng)用就是即插即用、隨拔即關(guān)。然而這個(gè)熱插入動(dòng)作卻也經(jīng)常是造成電子系統(tǒng)工作異常、甚至造成USB端口組件毀壞的元兇，因?yàn)槿珈o電放電(ESD)等瞬時(shí)噪聲就是來(lái)自這個(gè)熱插入動(dòng)作。

　　要用在USB3.0端口的ESD防護(hù)組件必須同時(shí)符合下面三項(xiàng)要求：

　　第一、ESD防護(hù)組件本身的寄生電容必須要小，為不影響USB3.0 4.8Gbps的傳輸速率，其寄生電容必須小于0.3pF。

　　第二、防護(hù)組件對(duì)ESD的耐受能力必須要高，最少要能承受IEC 61000-4-2接觸模式8kV ESD的轟擊。

　　第三、也是最重要的一項(xiàng)要求，防護(hù)組件在ESD事件發(fā)生期間所提供的箝制電壓必須要夠低，不能造成傳輸數(shù)據(jù)的損壞。

　　以上三項(xiàng)要求缺一不可，缺少了任何一個(gè)要項(xiàng)，USB3.0端口就無(wú)法被完善地保護(hù)。然而要同時(shí)符合以上三項(xiàng)要求的ESD防護(hù)組件，其本身的設(shè)計(jì)難度就相當(dāng)高。

　　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(duì)USB3.0的防護(hù)需求，推出AZ1065系列的ESD防護(hù)組件。為避免防護(hù)組件的寄生電容影響USB3.0 4.8Gbps差動(dòng)(Differential)訊號(hào)的高速傳輸，AZ1065的寄生電容已低于0.3pF。在極低的電容特性下，任一接腳在室溫時(shí)仍皆可承受IEC 61000-4-2接觸模式10kV ESD的轟擊。最重要是，以相同寄生電容來(lái)比較，AZ1065擁有最低的ESD箝制電壓，可有效防止數(shù)據(jù)傳輸時(shí)被ESD事件所干擾，才能讓擁有USB 3.0端口的電子系統(tǒng)有機(jī)會(huì)通過(guò)Class-A的IEC 61000-4-2系統(tǒng)級(jí)靜電放電保護(hù)測(cè)試。利用傳輸線脈沖系統(tǒng)(TLP)測(cè)量AZ1065后，可以觀察到如圖一的ESD箝制電壓特性。在IEC 61000-4-2接觸模式6kV的ESD沖擊下(TLP電流等效約為17A)，箝制電壓僅有13.4V，將得以有效避免系統(tǒng)產(chǎn)品于靜電測(cè)試時(shí)發(fā)生數(shù)據(jù)錯(cuò)誤、當(dāng)機(jī)甚至損壞的情況。

圖1：AZ1065-06F的ESD箝制電壓測(cè)試曲線。

　　在電子產(chǎn)品的USB3.0應(yīng)用中，AZ1065-06F將是靜電放電防護(hù)的最佳解決方案。圖2所示即為裝有ESD防護(hù)組件AZ1065-06F的USB3.0端口順利通過(guò)5Gbps的Eye Diagram測(cè)試結(jié)果。

圖2：AZ1065-06F 5Gbps的Eye Diagram測(cè)試結(jié)果。

　　在電子產(chǎn)品朝向輕薄短小的發(fā)展趨勢(shì)下，產(chǎn)品的印刷電路板(PCB)也隨之越來(lái)越小，但在產(chǎn)品功能強(qiáng)大的要求之下，線路也變得更加復(fù)雜，因此PCB的面積已變得寸土寸金，造成產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)相當(dāng)大的困擾。AZ1065系列產(chǎn)品提供六個(gè)極低電容的接腳，可同時(shí)保護(hù)USB3.0的兩組差動(dòng)對(duì)(TX and RX)及USB2.0的差動(dòng)對(duì)(D+ and D-)，具有縮小PCB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AZ1065-06F首先采用交錯(cuò)型式的接腳，以提供PCB Layout時(shí)可利用穿透式(Feedthrough)的設(shè)計(jì)，圖3即為AZ1065-06F的接線方式。此種首創(chuàng)的組件接腳方式將可免除繞線時(shí)的諸多困擾，不但對(duì)縮短產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)間的PCB Layout工作有相當(dāng)大的幫助，同時(shí)差動(dòng)訊號(hào)線的Layout也將更為對(duì)稱，減少訊號(hào)傳輸錯(cuò)誤的機(jī)會(huì)。

圖3：以AZ1065-06F作為USB3.0 ESD防護(hù)，線路可利用穿透式Layout達(dá)成。