USB3.1靜電放電防護的最佳解決方案詳解

USB(UniversalSerialBus,通用串行總線(xiàn))，是目前各式電子產(chǎn)品中使用最廣泛接口。也因為它的應用是如此的廣泛，使用者對它的使用需求相對的就會(huì )要求越來(lái)越多。其中最直接的要求就是傳輸速度，USB協(xié)會(huì )在USB3.1規格里定義了一些新名詞，將運作在5Gbps的USB標準稱(chēng)為Gen1，運作在10Gbps的方案則稱(chēng)為Gen2;而GenX則代表可運作在5Gbps或10Gbps。如同USB2.0接口叫做HighSpeed，USB3.0界面稱(chēng)為SuperSpeed，運行在10Gbit/s的界面稱(chēng)之為SuperSpeedPlus。

USB3.0已經(jīng)在桌面計算機、筆記本電腦、外接式硬盤(pán)、隨身碟等產(chǎn)品上隨處可見(jiàn)，然而USB3.0的增強版USB3.1可以提供10Gbit/s的傳輸速度，系USB3.0的兩倍，將可以滿(mǎn)足對帶寬需求愈來(lái)愈高的新應用，例如超高畫(huà)質(zhì)(UHD)電視、顯示器及固態(tài)硬盤(pán)(SSD)等應用需求，同時(shí)還能向下兼容USB2.0。

USB3.1控制芯片必須使用更先進(jìn)的制程來(lái)設計與制造，但這也造成USB3.1的控制芯片對ESD的耐受能力快速下降。除此之外，USB3.1會(huì )被大量用來(lái)傳輸影音數據，對數據傳輸容錯率會(huì )有越嚴格的要求，使得使用額外的保護組件來(lái)防止ESD事件對數據傳輸的干擾變得很必要。除了傳輸速度的要求之外，另一個(gè)使用者最普遍的USB應用就是即插即用、隨拔即關(guān)。然而這個(gè)熱插入動(dòng)作卻也經(jīng)常是造成電子系統工作異常、甚至造成USB端口組件毀壞的元兇，因為如靜電放電(ESD)等瞬時(shí)噪聲就是來(lái)自這個(gè)熱插入動(dòng)作。

要用在USB3.1端口的ESD防護組件必須同時(shí)符合下面三項要求：第一、ESD防護組件本身的寄生電容必須要小，為不影響USB3.110Gbps的傳輸速率，其寄生電容必須小于0.3pF。第二、防護組件對ESD的耐受能力必須要高，最少要能承受IEC61000-4-2接觸模式8kVESD的轟擊。第三、也是最重要的一項要求，防護組件在ESD事件發(fā)生期間所提供的箝制電壓必須要夠低，不能造成傳輸數據的損壞。以上三項要求缺一不可，缺少了任何一個(gè)要項，USB3.1端口就無(wú)法被完善地保護。然而要同時(shí)符合以上三項要求的ESD防護組件，其本身的設計難度就相當高。

晶焱科技擁有先進(jìn)的ESD防護設計技術(shù)，特別針對USB3.1的防護需求，推出AZ1365系列的ESD防護組件。為避免防護組件的寄生電容影響USB3.110Gbps差動(dòng)(Differential)訊號的高速傳輸，AZ1365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IEC61000-4-2接觸模式10kVESD的轟擊。最重要是，以相同寄生電容來(lái)比較，AZ1365擁有最低的ESD箝制電壓，可有效防止數據傳輸時(shí)被ESD事件所干擾，才能讓擁有USB3.1端口的電子系統有機會(huì )通過(guò)Class-A的IEC61000-4-2系統級靜電放電保護測試。利用傳輸線(xiàn)脈沖系統(TLP)測量AZ1365后，可以觀(guān)察到如圖一的ESD箝制電壓特性。在IEC61000-4-2接觸模式6kV的ESD沖擊下(TLP電流等效約為17A)，箝制電壓僅有8V，將得以有效避免系統產(chǎn)品于靜電測試時(shí)發(fā)生數據錯誤、當機甚至損壞的情況。

附圖一AZ1365-06F的ESD箝制電壓測試曲線(xiàn)

在電子產(chǎn)品的USB3.1應用中，AZ1365-06F將是靜電放電防護的最佳解決方案。圖二所示即為裝有ESD防護組件AZ1365-06F的USB3.1端口順利通過(guò)10Gbps的EyeDiagram測試結果。

附圖二AZ1365-06F10Gbps的EyeDiagram測試結果

在電子產(chǎn)品朝向輕薄短小的發(fā)展趨勢下，產(chǎn)品的印刷電路板(PCB)也隨之越來(lái)越小，但在產(chǎn)品功能強大的要求之下，線(xiàn)路也變得更加復雜，因此PCB的面積已變得寸土寸金，造成產(chǎn)品設計時(shí)相當大的困擾。AZ1365系列產(chǎn)品提供六個(gè)極低電容的接腳，可同時(shí)保護USB3.1的兩組差動(dòng)對(TXandRX)及USB2.0的差動(dòng)對(D+andD-)，具有縮小PCB面積與降低布局(Layout)復雜度等優(yōu)點(diǎn)，可節省系統成本。更特別的是AZ1365-06F首先采用交錯型式的接腳，以提供PCBLayout時(shí)可利用穿透式(Feedthrough)的設計，圖三即為AZ1365-06F的接線(xiàn)方式。此種首創(chuàng )的組件接腳方式將可免除繞線(xiàn)時(shí)的諸多困擾，不但對縮短產(chǎn)品設計時(shí)間的PCBLayout工作有相當大的幫助，同時(shí)差動(dòng)訊號線(xiàn)的Layout也將更為對稱(chēng)，減少訊號傳輸錯誤的機會(huì )。

附圖三以AZ1365-06F作為USB3.1ESD防護，線(xiàn)路可利用穿透式Layout達成