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面向USB3.0的新型ESD防護設計
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時(shí)間：2010-12-07
來(lái)源：網(wǎng)絡(luò )
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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(xiàn)設計示例。
具備ESD防護電路的標準A連接器USB3.0布局布線(xiàn)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(xiàn)設計建議。
USB3.0的新型ESD防護策略
持續不斷地減小芯片的各個(gè)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(shí)，這種微型化也產(chǎn)生了新的問(wèn)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的數據率，因此基本頻率高達2.5GHz。為實(shí)現很高的信號完整性，數據信號的上升時(shí)間和下降時(shí)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(guò)利用寄生效應最小、半導體開(kāi)關(guān)速度最快的尖端半導體制程才能實(shí)現。這種微型化半導體結構的缺點(diǎn)，是對ESD沖擊造成的過(guò)壓的耐受能力降低。采用內置ESD防護裝置，會(huì )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(shí)采用內置ESD防護機制(集成到USB3.0收發(fā)器中)，以及專(zhuān)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(shí)現)。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(kāi)發(fā)、生產(chǎn)和電路板裝配過(guò)程中安全地拿放器件很重要。專(zhuān)為該應用定制的外部TVS二極管則按照 IEC61000-4-2標準，實(shí)現了更加嚴格的系統級保護。
為提供適當的USB3.0系統級ESD防護，ESD防護器件(TVS二極管)必須滿(mǎn)足不同的要求?？蓞⒄誌EC61000-4-2標準，根據殘留箝位電壓和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(huì )受TVS二極管的一些特性影響，比如最低R_on(動(dòng)態(tài)電阻R_dynamic)和專(zhuān)為該應用定制的最低V_breakdown。
根據經(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(xiàn)路上的最高電源電壓和最高信號電平相一致。動(dòng)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(dòng)態(tài)電阻，可最大限度地減小IC上的殘留ESD應力。
可根據傳輸線(xiàn)路脈沖(TLP)測定值，推導出動(dòng)態(tài)電阻(圖5)。
專(zhuān)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(zhuān)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TLP測定圖，可計算出動(dòng)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(zhuān)為該應用定制了一只動(dòng)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(chǎng)上的同類(lèi)產(chǎn)品中堪稱(chēng)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(diǎn)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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