面向USB3.0的新型ESD防護設計
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圖5為具備ESD防護電路的USB3.0標準A連接器橫截面的布局布線設計示例。
具備ESD防護電路的標準A連接器USB3.0布局布線設計建議
圖 5：具備ESD防護電路的標準A連接器USB3.0布局布線設計建議。
USB3.0的新型ESD防護策略
持續(xù)不斷地減小芯片的各個組件的尺寸是降低生產(chǎn)成本、提高工作頻率的根本，但與此同時，這種微型化也產(chǎn)生了新的問題(如容易發(fā)生ESD擊穿)。因此，對提供可靠的ESD防護機制的要求與日俱增。
USB3.0可提供最高5Gbps的數(shù)據(jù)率，因此基本頻率高達2.5GHz。為實現(xiàn)很高的信號完整性，數(shù)據(jù)信號的上升時間和下降時間必須非常短。對第3諧波或第5諧波的處理，不應發(fā)生明顯衰減。這些只能通過利用寄生效應最小、半導體開關速度最快的尖端半導體制程才能實現(xiàn)。這種微型化半導體結構的缺點，是對ESD沖擊造成的過壓的耐受能力降低。采用內置ESD防護裝置，會引起寄生效應(寄生電容)，并且需要占用很大的片上空間。
一種十分經(jīng)濟高效的方法，是同時采用內置ESD防護機制(集成到USB3.0收發(fā)器中)，以及專為提供外部ESD防護而定制的性能增強(即高電流)應用電路(由器件/電路設計者在電路板上實現(xiàn))。內置ESD防護機制旨在提供器件級保護，例如，嚴格遵守HBM JEDEC JESD 22-A115要求。內置ESD防護對在開發(fā)、生產(chǎn)和電路板裝配過程中安全地拿放器件很重要。專為該應用定制的外部TVS二極管則按照 IEC61000-4-2標準，實現(xiàn)了更加嚴格的系統(tǒng)級保護。
為提供適當?shù)腢SB3.0系統(tǒng)級ESD防護，ESD防護器件(TVS二極管)必須滿足不同的要求?？蓞⒄誌EC61000-4-2標準，根據(jù)殘留箝位電壓和TVS二極管對ESD沖擊的響應，判斷TVS二極管的ESD防護性能。
TVS二極管的ESD防護性能會受TVS二極管的一些特性影響，比如最低R_on(動態(tài)電阻R_dynamic)和專為該應用定制的最低V_breakdown。
根據(jù)經(jīng)驗，可以計算出箝位電壓(V_clamp)：
為確保應用的安全，壓敏電壓必須與所保護的線路上的最高電源電壓和最高信號電平相一致。動態(tài)電阻(R_dyn)應當盡可能小。結合最優(yōu)壓敏電壓和最低動態(tài)電阻，可最大限度地減小IC上的殘留ESD應力。
可根據(jù)傳輸線路脈沖(TLP)測定值，推導出動態(tài)電阻(圖5)。
專為USB3.0超高速模式提供ESD防護而定制的英飛凌ESD3V3U4UL TVS二極管的TLP測定結果
圖6：專為USB3.0超高速模式提供ESD防護而定制的英飛凌ESD3V3U4UL TVS二極管的TLP測定結果。
根據(jù)TLP測定圖，可計算出動態(tài)電阻(圖6)：
為對USB3.0超高速鏈路提供靜電防護，英飛凌專為該應用定制了一只動態(tài)電阻僅為0.3歐姆左右、最高反向工作電壓為3.3V(壓敏電壓最低4V)的TVS二極管(ESD3V3U4ULC)。在測試中，16A的ESD沖擊的箝位電壓為11V，這在當今市場上的同類產(chǎn)品中堪稱佼佼者。
備注：按照IEC61000-4-2標準，所用16A TLP測試脈沖非常適合8KV接觸ESD沖擊，在30ns點上提供了16A的ESD電流。
為保護另外的USB2.0鏈路，TVS二極管必須提供稍高一些的反向工作電壓/壓敏電壓。為支持全速和低速模式，必須提供更高的壓敏電壓，從而形成最高+5V左右的信號振幅。英飛凌ESD5V3U1U和ESD5V3U2U系列可提供最低5.3V的反向工作電壓(壓敏電壓最低6V)，二極管電容典型值為0.4pF。
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