面向USB3.0的新型ESD防護(hù)設(shè)計(jì)
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圖5為具備ESD防護(hù)電路的USB3.0標(biāo)準(zhǔn)A連接器橫截面的布局布線設(shè)計(jì)示例。
具備ESD防護(hù)電路的標(biāo)準(zhǔn)A連接器USB3.0布局布線設(shè)計(jì)建議
圖 5：具備ESD防護(hù)電路的標(biāo)準(zhǔn)A連接器USB3.0布局布線設(shè)計(jì)建議。
USB3.0的新型ESD防護(hù)策略
持續(xù)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)生了新的問題(如容易發(fā)生ESD擊穿)。因此，對(duì)提供可靠的ESD防護(hù)機(jī)制的要求與日俱增。
USB3.0可提供最高5Gbps的數(shù)據(jù)率，因此基本頻率高達(dá)2.5GHz。為實(shí)現(xiàn)很高的信號(hào)完整性，數(shù)據(jù)信號(hào)的上升時(shí)間和下降時(shí)間必須非常短。對(duì)第3諧波或第5諧波的處理，不應(yīng)發(fā)生明顯衰減。這些只能通過利用寄生效應(yīng)最小、半導(dǎo)體開關(guān)速度最快的尖端半導(dǎo)體制程才能實(shí)現(xiàn)。這種微型化半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)，是對(duì)ESD沖擊造成的過壓的耐受能力降低。采用內(nèi)置ESD防護(hù)裝置，會(huì)引起寄生效應(yīng)(寄生電容)，并且需要占用很大的片上空間。
一種十分經(jīng)濟(jì)高效的方法，是同時(shí)采用內(nèi)置ESD防護(hù)機(jī)制(集成到USB3.0收發(fā)器中)，以及專為提供外部ESD防護(hù)而定制的性能增強(qiáng)(即高電流)應(yīng)用電路(由器件/電路設(shè)計(jì)者在電路板上實(shí)現(xiàn))。內(nèi)置ESD防護(hù)機(jī)制旨在提供器件級(jí)保護(hù)，例如，嚴(yán)格遵守HBM JEDEC JESD 22-A115要求。內(nèi)置ESD防護(hù)對(duì)在開發(fā)、生產(chǎn)和電路板裝配過程中安全地拿放器件很重要。專為該應(yīng)用定制的外部TVS二極管則按照 IEC61000-4-2標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)了更加嚴(yán)格的系統(tǒng)級(jí)保護(hù)。
為提供適當(dāng)?shù)腢SB3.0系統(tǒng)級(jí)ESD防護(hù)，ESD防護(hù)器件(TVS二極管)必須滿足不同的要求。可參照IEC61000-4-2標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)殘留箝位電壓和TVS二極管對(duì)ESD沖擊的響應(yīng)，判斷TVS二極管的ESD防護(hù)性能。
TVS二極管的ESD防護(hù)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)和專為該應(yīng)用定制的最低V_breakdown。
根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，可以計(jì)算出箝位電壓(V_clamp)：
為確保應(yīng)用的安全，壓敏電壓必須與所保護(hù)的線路上的最高電源電壓和最高信號(hào)電平相一致。動(dòng)態(tài)電阻(R_dyn)應(yīng)當(dāng)盡可能小。結(jié)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(yīng)力。
可根據(jù)傳輸線路脈沖(TLP)測(cè)定值，推導(dǎo)出動(dòng)態(tài)電阻(圖5)。
專為USB3.0超高速模式提供ESD防護(hù)而定制的英飛凌ESD3V3U4UL TVS二極管的TLP測(cè)定結(jié)果
圖6：專為USB3.0超高速模式提供ESD防護(hù)而定制的英飛凌ESD3V3U4UL TVS二極管的TLP測(cè)定結(jié)果。
根據(jù)TLP測(cè)定圖，可計(jì)算出動(dòng)態(tài)電阻(圖6)：
為對(duì)USB3.0超高速鏈路提供靜電防護(hù)，英飛凌專為該應(yīng)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(cè)試中，16A的ESD沖擊的箝位電壓為11V，這在當(dāng)今市場(chǎng)上的同類產(chǎn)品中堪稱佼佼者。
備注：按照IEC61000-4-2標(biāo)準(zhǔn)，所用16A TLP測(cè)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(hù)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(hào)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。
評(píng)論