面向USB3.0的新型ESD防護設計

1996年，家喻戶曉的通用串行接口(USB1.0)初次問世，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，且事實上已成為便攜式電腦、上網本和臺式機等所有計算機系統(tǒng)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品，也廣泛采用USB2.0接口。

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

在市場上，有些系統(tǒng)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(tǒng)均不向下兼容USB2.0接口，因為它們采用的是不同的系統(tǒng)方法。

USB3.0系統(tǒng)設計挑戰(zhàn)

2008年11月，USB3.0規(guī)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，被稱為發(fā)送方向)和上傳(從設備到主機，被稱為接收方向)提供了單獨的差分數據線路。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(TX+/Tx-、RX+/Rx-和D+/D-)。此外，USB3.0電纜還必須具備Vcc線和GND線。這種低成本的USB3.0電纜所面臨的挑戰(zhàn)，是需支持很高的截止頻率且不會在相鄰的差分耦合線對之間形成干擾(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路，必須強制規(guī)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鏈路中實現(xiàn)有效的ESD防護機制。