USB3.0案例，TVS對眼圖的影響

編者注：本文轉載自NXP的應用文章。

1. USB 接口演進(jìn)歷史

1996 年，眾所周之的通用串行接口（USB）初次問(wèn)世。當時(shí)，版本 1.0 的 USB 接口僅可在低速（LS）模式和全速（FS）模式下，分別提供 1.5 Mb/s 和 12 Mb/s 的速率。2000 年， USB2.0 面市。新的高速（HS）模式可提供高達 480 Mb/s 的速率，并且依然向下兼容低速模式和全速模式。

2. USB3.0 系統概述

2008 年 11 月， USB3.0 技術(shù)規范發(fā)布。USB3.0 不僅包含了 USB2.0 的全部功能（HS、 FS 和LS），而且提供了名為超高速度（SuperSpeed）的單獨的全新超高速數據鏈路。超高速度鏈路為下載（主機=>器件，被稱(chēng)為發(fā)送方向）和接收方向上的上傳（器件=>主機）提供了單獨的差分數據線(xiàn)路。超高速度模式可提供的最高數據率為 5 Gb/s（請參閱圖 1 ）。

圖 1 USB3.0 超高速度模式和 USB2.0 模式物理鏈路（在主機側和器件側實(shí)現了靜電防護）

要同時(shí)支持 USB2.0 功能和新的超高速度模式，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-）。Vcc 線(xiàn)和接地線(xiàn)也是電纜中不可或缺的組成部分。這種低成本 USB3.0 電纜面臨的挑戰是，支持很高的截止頻率，而不會(huì )在相鄰的差分耦合線(xiàn)對之間形成干擾。（請參閱圖 2）

圖 2 USB3.0 電纜結構和電纜衰減（差分模式）

為了支持 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。從靜電防護的角度而言，這導致標準 A連接器的超高速度模式線(xiàn)路很容易被靜電擊中（在主機側和器件側）。一種強有力的對策是在USB3.0 鏈路中實(shí)現高效的靜電防護機制。

超高速數據傳輸系統面臨的一個(gè)最為嚴峻的問(wèn)題是，確保在接收端實(shí)現一定程度的信號完整性。高信號完整性對實(shí)現很低的誤碼率非常重要（譬如，對于 USB3.0 超級速度模式，典型誤碼率為 1E-12）。眼圖表明了信號完整性的特性。

在擁有無(wú)限帶寬的完美系統中，眼圖完全張開(kāi)。而在實(shí)際的系統中，發(fā)送和接收阻抗（90歐姆差分阻抗）以及發(fā)送端和接收端的所有寄生電容，限制了信號的上升時(shí)間/下降時(shí)間。這些寄生電容存在于USB3.0收發(fā)器內部，和/或PCB外部。不匹配的PCB線(xiàn)路、USB3.0連接器或其他并聯(lián)電容器等，均會(huì )造成外部寄生電容。因此，這些額外的并聯(lián)電容器必須盡可能小。還必須考慮到USB3.0電纜的低通頻率響應（請參閱圖2）。為了抵消高頻信號的衰減，可在發(fā)送端和接收端利用專(zhuān)用均衡器來(lái)調整信號。

這些措施均有助于加快處于上升和下降邊緣的信號的速度，從而得到張得更開(kāi)的眼圖（即，更高信號完整性）（請參閱圖 3）。

要實(shí)現適當的信號完整性性能， TVS 二極管的電容必須很低，但另一方面， TVS 二極管必須提供很高的靜電防護能力。

圖 3 發(fā)送端信號還原（ 3.5dB 標準參數）和接收端線(xiàn)性均衡器（標準參數）

圖4所示為整個(gè)USB3.0鏈路的眼圖模擬（誤碼率為1E6時(shí)）。在圖4（左圖）中，接收信號是在未經(jīng)接收端均衡器處理之前測得的。在圖（右圖）中，信號是經(jīng)接收端均衡器處理之后測得的。紅色的內輪廓線(xiàn)所示為用外推法得到的誤碼率為1E12時(shí)的眼圖張開(kāi)程度。紅紫色輪廓線(xiàn)為USB3.0技術(shù)規范中規定的超高速度模式合規測試的有效值。比較兩個(gè)眼圖，在接收端使用均衡器的效果顯而易見(jiàn)。

圖 4 未經(jīng)接收端均衡器處理之前的信號眼圖（左圖）與經(jīng)接收端均衡器處理之后的信號眼圖（右圖）

超高速度鏈路和USB2.0傳輸鏈路采用了差分耦合90歐姆線(xiàn)路。鏈路內部的阻抗不匹配造成的信號反射會(huì )降低信號完整性。為了避免出現這種情況，包括 USB3.0 電纜在內的整個(gè)布局設計，應當實(shí)現 90 歐姆差分阻抗匹配。

為了使“削弱斜率”盡可能小，并且提供相同的線(xiàn)路延遲時(shí)間，所有差分耦合線(xiàn)路均必須為相同的長(cháng)度。對于USB3.0電纜本身，這一點(diǎn)尤為重要。

較高“削弱斜率”會(huì )降低信號完整性，從而導致所謂的“差模共模信號轉換”。所生產(chǎn)的共模信號會(huì )影響EMI測試的順利進(jìn)行。阻抗匹配的適當布局設計，能避免這些問(wèn)題。

3. USB3.0 超高速度鏈路和 USB2.0 鏈路的靜電防護布局設計提議

在整個(gè) USB3.0 鏈路的布局設計中，應考慮下列因素：

（1）所有 PCB 線(xiàn)路和互連電纜均強制要求采用完全阻抗匹配的 90 歐姆差分設計

（2）必須最大限度地減少非差分耦合線(xiàn)路。非差分耦合線(xiàn)路會(huì )嚴重影響眼圖內眼張開(kāi)程度

（3）90歐姆差分耦合PCB線(xiàn)路的線(xiàn)路寬度和線(xiàn)路間隔不應太窄，以避免造成額外的損耗，并且這些線(xiàn)路應當足夠結實(shí)，以便于生產(chǎn)。從生產(chǎn)的角度而言，差分線(xiàn)路的理想線(xiàn)路寬度為0.3毫米，線(xiàn)路間隔為0.2毫米。這會(huì )形成 200 微米的電介質(zhì)高度（假設：FR4，且 er=4）

（4）差分耦合鏈路的正極和負極線(xiàn)路（包括USB3.0電纜）之間的延遲（線(xiàn)路長(cháng)度）完全相同（最大限度地減小削弱斜率）。對于保持很高的信號完整性和避免生成共模信號，這一點(diǎn)很重要。

圖 5 所示為兼具靜電防護電路的 USB3.0 標準A連接器橫截面布局設計示例。

圖 5 標準 A 連接器+英飛凌靜電防護裝置 USB3.0 布局設計建議

4. 面向 USB3.0 的現代化靜電防護策略

一方面，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，擴展工作頻率的根本。另一方面，這種微型化也產(chǎn)生了新的問(wèn)題（如，容易發(fā)生靜電擊穿）。對提供可靠靜電防護機制的要求與日俱增。

USB3.0可提供最高5Gb/s的數據率，因此基本頻率高達2.5GHz。為了實(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。第3諧波甚或第5諧波的處理，不應發(fā)生明顯衰減。只能通過(guò)利用寄生效應最小且半導體開(kāi)關(guān)速度最快的技術(shù)尖端的半導體制程，才能實(shí)現這一點(diǎn)。這種微型化半導體結構的缺點(diǎn)是，在靜電放電造成的過(guò)壓面前不堪一擊。采用內置靜電防護裝置，會(huì )引起寄生效應（寄生電容），并且要占用寶貴的片上空間。

一種十分經(jīng)濟高效的方法是，結合采用內置靜電防護機制（集成到USB3.0收發(fā)器中），和專(zhuān)為提供外部靜電防護而量身定制的性能強健的高電流應用電路（由器件/電路設計者在電路板上實(shí)現）。

內置靜電防護機制旨在僅提供器件級保護，譬如，依照HBMJEDECJESD22-A115的規定。對于確保在開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)和電路板裝配過(guò)程中安全地拿放器件，內置靜電防護機制起到了重要作用。專(zhuān)為該應用量身定制的外部 TVS 二極管則實(shí)現了符合 IEC61000-4-2 標準的更加嚴格的系統級保護。

為了給 USB3.0 鏈路提供適當的系統級靜電防護，靜電防護器件（TVS 二極管）必須滿(mǎn)足不同的要求?？蓞⒄?IEC61000-4-2標準，根據殘余箝位電壓以及 TVS 二極管對特定靜電放電的響應，判斷 TVS 二極管的靜電防護性能。

TVS 二極管的一些特性，會(huì )影響其靜電防護性能
? 最低導通電阻（R_on）（動(dòng)態(tài)電阻（R_dynamic））
? 最低擊穿電壓（V_breakdown），專(zhuān)為該應用度身定制
根據經(jīng)驗，可以計算出箝位電壓（V_clamp）：

可根據TLP（傳輸線(xiàn)路脈沖）測定值，推導出動(dòng)態(tài)電阻。（參見(jiàn)圖6）為確保應用的安全，擊穿電壓必須與所保護的線(xiàn)路上施加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)擊穿電壓和最低動(dòng)態(tài)電阻，可最大限度地減小 IC 上的殘余靜電放電應力。

根據 TLP 測定圖，可計算出動(dòng)態(tài)電阻（參見(jiàn)圖 6）：

圖 6 專(zhuān)為給 USB3.0 超高速度鏈路提供靜電防護而量身定制的英飛凌 ESD3V3U4UL 的 TLP 測定結果

為了保護另外的USB2.0鏈路，TVS二極管必須提供稍高一些的反向工作電壓/擊穿電壓。要支持全速模式和低速模式，必須提供更高的擊穿電壓，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（擊穿電壓：最低6V）和0.4pF的典型二極管電容值。

5. 實(shí)現了靜電防護的 USB3.0 超高速度鏈路的信號完整性

分別在實(shí)現了靜電防護和未實(shí)現靜電防護的情況下，對整個(gè) USB3.0 超級速度鏈路執行了信號完整性模擬。（參見(jiàn)圖 1 ）

整個(gè)收發(fā)區具備 90 歐姆差分阻抗?？紤]了發(fā)送端和接收端的寄生效應。測得數據表明了 USB3.0 電纜的狀態(tài)。規定 USB3.0 電纜的最大長(cháng)度為 3 米。

為了給USB3.0超高速度鏈路提供靜電防護，在主機側和器件側均配置了英飛凌ESD3V3U4ULC。ESD3V3U4ULC具備卓越的靜電防護性能，并且二極管電容（二極管對地）極低，典型值為 0.5pF。在模擬中，考慮了 USB3.0 超高速度鏈路的基本布局設計規則。（參見(jiàn)圖 5）

在對整條USB3.0超高速度鏈路執行的信號完整性模擬中，按照USB3.0合規測試標準參數，實(shí)現了發(fā)送端信號還原和接收端均衡處理。分析了經(jīng)接收端均衡器處理之后的超高速度信號的眼圖。模擬所用誤碼率為 1E6。根據模擬結果，推導出誤碼率為 1E12 時(shí)的眼圖張開(kāi)程度（紅色和藍色輪廓線(xiàn)）。

分別在未配備 TVS 二極管（紅色輪廓線(xiàn)）和配備了 TVS 二極管（ESD3V3U4ULC，藍色輪廓線(xiàn)）的情況下，計算出眼圖的張開(kāi)程度。（參見(jiàn)圖 7）

圖 7 在主機側和器件側配置和未配置 ESD3V3U4ULC 時(shí)的眼圖

在主機側和器件側實(shí)現超低電容 TVS 二極管 ESD3V3U4ULC，眼圖張開(kāi)程度（輪廓線(xiàn)）會(huì )受到一定影響。雖然眼圖張開(kāi)程度會(huì )略微減小，但相比于 USB3.0 技術(shù)規范中規定的基準模式（紅紫色輪廓線(xiàn)）而言，仍大出許多。

浴缸狀曲線(xiàn)模擬詳盡地表明了TVS二極管的作用。黑色刻度線(xiàn)所示為USB3.0技術(shù)規范中規定的誤碼率為10E12時(shí)，眼圖基準模式的電壓和時(shí)間（皮秒）參數。紅色曲線(xiàn)為未配備 TVS 二極管時(shí)計算所得， 藍色曲線(xiàn)為在主機側和器件側配置了 ESD3V3U4ULC 時(shí)計算所得。

圖 8 配備/未配備 TVS 二極管時(shí)的電壓和時(shí)間浴缸狀曲線(xiàn)模擬

6 結語(yǔ)：

精心設計USB3.0鏈路以實(shí)現最優(yōu)系統級靜電防護性能和毫厘不差的信號完整性，是一個(gè)強制性要求。要同時(shí)滿(mǎn)足這兩個(gè)要求，靜電防護器件必須具備卓越的靜電防護性能和很低的器件電容。采用“陣列”配置的英飛凌ESD3V3U4ULC，加上清楚明了的布局設計和高質(zhì)量鏈路（USB3.0電纜），便能滿(mǎn)足上述要求。