USB 2.0高速端口的ESD保護

　　如今的電子系統中越來(lái)越多地采用以CMOS工藝制造的低功率邏輯芯片。這些芯片如果遭遇足夠高的靜電放電(ESD)電壓，芯片內部的電介質(zhì)上就會(huì )產(chǎn)生電弧，并在門(mén)氧化物層燒出顯微鏡可見(jiàn)的孔洞，造成芯片的永久損壞。

通用串行總線(xiàn)(USB)高速數據應用也十分普遍，用戶(hù)在熱插撥任何USB外設時(shí)可能會(huì )導致ESD事件。此外，在離導電表面幾英寸的地方也可能發(fā)生空氣放電，可能損壞USB接口及芯片。因此，設計人員必須為USB元件提供ESD保護。

業(yè)界制定了不少針對不同瞬態(tài)干擾的ESD標準，比如針對系統級ESD事件的IEC61000-4-2國際標準。另外還有一些元器件級的ESD敏感度測試標準，如人體模型(HBM)和機器模型(MM)等。USB 2.0高速數據線(xiàn)路應用的半導體ESD保護元件應當具備下列重要特性： 　　極低電容：將USB 2.0高速數據線(xiàn)路(480 Mbps)中的信號衰減減至最??； 　　快速動(dòng)作響應時(shí)間(納秒級)：在ESD脈沖信號快速上升時(shí)保護USB元件； 　　低泄漏電流：將額定工作條件下的功率消耗減至最低； 　　強固性：能夠承受很多次的ESD事件沖擊而不受損傷； 　　小封裝：集成型更小封裝 　　本文介紹安森美半導體的新的低電容瞬態(tài)電壓抑制器(TVS)二極管陣列NUP4114UPXV6的主要特性，并討論如何為USB 2.0高速數據線(xiàn)路提供有效的ESD保護。

NUP4114UPXV6的特性及配置選擇 　　

NUP4114UPXV6是一款非常適合USB 2.0高速數據線(xiàn)路ESD保護的TVS二極管陣列。該器件具有0.8pF的極低電容(I/O線(xiàn)路與地之間的典型電容)，能將USB 2.0高速數據線(xiàn)路中的信號衰減降至最低。該器件滿(mǎn)足13 kV接觸放電的系統級IEC61000-4-2標準，并能承受人體模型3B類(lèi)(超過(guò)8 kV)和機器模型C類(lèi)(超過(guò)400V)的CMOS器件級ESD額定脈沖，具有強固的ESD保護性能。此外，它采用SOT563封裝，尺寸僅為1.6×1.6×0.55mm，非常適合計算機、手機、MP3播放器等應用中的USB2.0高速數據線(xiàn)路及其它高速應用的ESD保護。

NUP4114UPXV6能夠保護多達4條數據線(xiàn)路，驅使瞬態(tài)過(guò)壓達到鉗位參考點(diǎn)，讓?xiě)妹馐芩矐B(tài)過(guò)壓條件影響。無(wú)論什么時(shí)候，只要受保護線(xiàn)路上的電壓超過(guò)參考電壓(Vf或VCC+Vf)，器件中的控向(steering)二極管將正向偏置。這些二極管會(huì )迫使瞬態(tài)電流不經(jīng)過(guò)敏感的CMOS芯片，而從其旁路流過(guò)。

在保護應用中，數據線(xiàn)路連接至這器件的引腳1、3、4和6。負參考連接至引腳2，且該引腳必須通過(guò)接地層(ground plane)直接連接至地，從而將印制電路板(PCB)的接地電感降至最低。為將寄生電感降至最低，盡可能縮短走線(xiàn)(trace)長(cháng)度也非常重要。

NUP4114UPXV6有3種配置選擇。配置選擇1采用VCC作為參考，保護4條線(xiàn)路及電源(圖1)。在這種配置中，引腳5直接連接至正電源輸入端(VCC)，數據線(xiàn)路以電源電壓為參考。內部的TVS二極管防止電源輸入端上出現過(guò)壓?？叵蚨O管的偏置可降低它們的電容。

　　

配置選擇2采用偏置及電源隔離電阻來(lái)保護4條數據線(xiàn)路。該器件可在引腳5與VCC之間串聯(lián)10kΩ電阻實(shí)現與電源隔離。這將在內部TVS及控向二極管上維持偏置，并降低它們的電容。

配置選擇3采用內部TVS二極管作為參考來(lái)保護4條數據線(xiàn)路。在缺乏正電源參考的應用，或是需要完全隔離型電源的應用中，可以采用內部TVS作為參考。在這些應用中，引腳5不連接。采用這種配置時(shí)，只要受保護線(xiàn)路上的電壓超過(guò)TVS工作電壓與一個(gè)二極管壓降的和(VC= Vf +VTVS)時(shí)，控向二極管導通。

利用NUP4114UPXV6保護USB 2.0高速數據應用 　　USB端口由4條線(xiàn)路組成，其中D+和D-用于雙向數據傳輸，其余2條線(xiàn)路用于總線(xiàn)電壓及接地。圖2是NUP4114UPXV6為USB2.0高速數據應用提供ESD保護的電路圖。

USB控制器 　

如果發(fā)生ESD瞬態(tài)事件，器件中的控向二極管使瞬態(tài)電流避開(kāi)受保護的IC，而集成的TVS器件將浪涌電流轉移到地。TVS元件還會(huì )抑制電壓總線(xiàn)(VBUS)上的ESD事件。NUP4114UPXV6通過(guò)這些方式保護USB 2.0高速數據線(xiàn)路應用中的敏感IC。

其它USB 2.0高速應用ESD保護方案 　　

NUP4114UPXV6是一款集成型方案，用于保護2條USB 2.0高速數據線(xiàn)路。圖2所示的USB 2.0應用不帶識別(ID)線(xiàn)路。這類(lèi)不帶ID線(xiàn)路的USB 2.0應用除了可以采用NUP4114UPXV6之外，還可以采用安森美半導體的另一款集成型解決方案NUP2114。此外，這類(lèi)應用中還可以采用不同的分立方案，比如搭配2顆安森美半導體的ESD9L和1顆ESD9X，或者搭配1顆ESD7L和1顆ESD9X，或者搭配1顆最新的ESD11L和1顆ESD9X。

此外，在帶ID線(xiàn)路的USB 2.0應用(見(jiàn)圖3a)中，同樣可以采用安森美半導體的分立或集成ESD保護方案。比如搭配3顆ESD9L和1顆ESD9X作為分立ESD保護方案，或者采用單顆的NUP3115UP或NUP4114UP這樣的集成方案，如圖3所示。

本文小結 　　

速率高達480Mbps的USB 2.0高速數據線(xiàn)路應用需要有效的ESD保護。安森美半導體的低電容TVS二極管陣列NUP4114UPXV6提供0.8pF的極低電容，能高速應用中的信號衰減降至極低。它提供3種不同的配置選擇，可保護多達4條數據線(xiàn)路，讓?xiě)妹馐芩矐B(tài)過(guò)壓的影響，并迫使瞬態(tài)電流避免流過(guò)敏感的CMOS芯片。此外，該器件還符合IEC61000-4-2標準及HBM和MM測試標準。因此，設計人員可以利用該器件為USB 2.0高速應用提供有效的ESD保護。