面向USB3.0的新型ESD防護設計

1996年，家喻戶(hù)曉的通用串行接口(USB1.0)初次問(wèn)世，它可以支持低速(LS)模式和全速(FS)模式，分別提供1.5Mbps和12Mbps的速率。2000年，USB2.0面市，其新的高速(HS)模式可提供高達480Mbps的速率，并且依然向下兼容低速模式和全速模式。

目前，USB2.0是最普遍的通用外部數據接口之一，且事實(shí)上已成為便攜式電腦、上網(wǎng)本和臺式機等所有計算機系統的標配接口。此外，諸如便攜式攝像機、數碼相機、MP3播放器、電子游戲機、DVD藍光播放器和電視機，以及手機和DSL/路由器等消費電子產(chǎn)品，也廣泛采用USB2.0接口。

2008年，30億個(gè)帶USB2.0接口的新電子設備進(jìn)入市場(chǎng)。預計2013年將有超過(guò)40億個(gè)具備USB接口的新電子設備上市。隨著(zhù)超高速應用的發(fā)展，對具有更高數據率的外部接口的需求與日俱增，例如將外部硬盤(pán)驅動(dòng)器連接至計算機。

在市場(chǎng)上，有些系統可提供比USB2.0高速模式480Mbps高得多的數據率。例如，千兆以太網(wǎng)的速度是其3倍左右，外部串行 ATA(eSATA)則可提供3Gbps的數據率(約6倍)。但所有這些系統均不向下兼容USB2.0接口，因為它們采用的是不同的系統方法。

USB3.0系統設計挑戰

2008年11月，USB3.0規范發(fā)布。USB3.0不僅包含USB2.0的全部功能(HS、FS和LS)，而且可提供名為超高速 (SuperSpeed)的單獨的全新超高速數據鏈路。超高速鏈路為下載(從主機到設備，被稱(chēng)為發(fā)送方向)和上傳(從設備到主機，被稱(chēng)為接收方向)提供了單獨的差分數據線(xiàn)路。超高速模式可提供的最高數據率為5Gbps(圖1)。

USB3.0物理鏈路在主機側和設備側帶有ESD防護

圖 1：USB3.0物理鏈路在主機側和設備側帶有ESD防護。

為同時(shí)支持USB2.0功能和新的超高速模式，電纜必須采用新的結構，以提供三條差分耦合信號線(xiàn)(TX+/Tx-、RX+/Rx-和D+/D-)。此外，USB3.0電纜還必須具備Vcc線(xiàn)和GND線(xiàn)。這種低成本的USB3.0電纜所面臨的挑戰，是需支持很高的截止頻率且不會(huì )在相鄰的差分耦合線(xiàn)對之間形成干擾(圖2a)。

USB3.0電纜結構

圖 2a：USB3.0電纜結構。

為支持USB3.0電纜所包含的全部線(xiàn)路，必須強制規定采用一種新的連接器形狀。新的USB3.0連接器的基本要求，是必須向下兼容USB2.0連接器。從ESD的角度看，這導致標準A連接器的超高速線(xiàn)路很容易發(fā)生ESD沖擊(在主機側和設備側)。一種強有力的對策是在USB3.0鏈路中實(shí)現有效的ESD防護機制。