USB3.1靜電放電防護(hù)的最佳解決方案詳解

USB(UniversalSerialBus,通用串行總線)，是目前各式電子產(chǎn)品中使用最廣泛接口。也因?yàn)樗膽?yīng)用是如此的廣泛，使用者對(duì)它的使用需求相對(duì)的就會(huì)要求越來越多。其中最直接的要求就是傳輸速度，USB協(xié)會(huì)在USB3.1規(guī)格里定義了一些新名詞，將運(yùn)作在5Gbps的USB標(biāo)準(zhǔn)稱為Gen1，運(yùn)作在10Gbps的方案則稱為Gen2;而GenX則代表可運(yùn)作在5Gbps或10Gbps。如同USB2.0接口叫做HighSpeed，USB3.0界面稱為SuperSpeed，運(yùn)行在10Gbit/s的界面稱之為SuperSpeedPlus。

USB3.0已經(jīng)在桌面計(jì)算機(jī)、筆記本電腦、外接式硬盤、隨身碟等產(chǎn)品上隨處可見，然而USB3.0的增強(qiáng)版USB3.1可以提供10Gbit/s的傳輸速度，系USB3.0的兩倍，將可以滿足對(duì)帶寬需求愈來愈高的新應(yīng)用，例如超高畫質(zhì)(UHD)電視、顯示器及固態(tài)硬盤(SSD)等應(yīng)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)的制程來設(shè)計(jì)與制造，但這也造成USB3.1的控制芯片對(duì)ESD的耐受能力快速下降。除此之外，USB3.1會(huì)被大量用來傳輸影音數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)傳輸容錯(cuò)率會(huì)有越嚴(yán)格的要求，使得使用額外的保護(hù)組件來防止ESD事件對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)母蓴_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(yīng)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(tǒng)工作異常、甚至造成USB端口組件毀壞的元兇，因?yàn)槿珈o電放電(ESD)等瞬時(shí)噪聲就是來自這個(gè)熱插入動(dòng)作。

要用在USB3.1端口的ESD防護(hù)組件必須同時(shí)符合下面三項(xiàng)要求：第一、ESD防護(hù)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(hù)組件對(duì)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(xiàng)要求，防護(hù)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(shù)據(jù)的損壞。以上三項(xiàng)要求缺一不可，缺少了任何一個(gè)要項(xiàng)，USB3.1端口就無法被完善地保護(hù)。然而要同時(shí)符合以上三項(xiàng)要求的ESD防護(hù)組件，其本身的設(shè)計(jì)難度就相當(dāng)高。

晶焱科技擁有先進(jìn)的ESD防護(hù)設(shè)計(jì)技術(shù)，特別針對(duì)USB3.1的防護(hù)需求，推出AZ1365系列的ESD防護(hù)組件。為避免防護(hù)組件的寄生電容影響USB3.110Gbps差動(dòng)(Differential)訊號(hào)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，以相同寄生電容來比較，AZ1365擁有最低的ESD箝制電壓，可有效防止數(shù)據(jù)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(tǒng)有機(jī)會(huì)通過Class-A的IEC61000-4-2系統(tǒng)級(jí)靜電放電保護(hù)測(cè)試。利用傳輸線脈沖系統(tǒng)(TLP)測(cè)量AZ1365后，可以觀察到如圖一的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(tǒng)產(chǎn)品于靜電測(cè)試時(shí)發(fā)生數(shù)據(jù)錯(cuò)誤、當(dāng)機(jī)甚至損壞的情況。

附圖一AZ1365-06F的ESD箝制電壓測(cè)試曲線

在電子產(chǎn)品的USB3.1應(yīng)用中，AZ1365-06F將是靜電放電防護(hù)的最佳解決方案。圖二所示即為裝有ESD防護(hù)組件AZ1365-06F的USB3.1端口順利通過10Gbps的EyeDiagram測(cè)試結(jié)果。

附圖二AZ1365-06F10Gbps的EyeDiagram測(cè)試結(jié)果

在電子產(chǎn)品朝向輕薄短小的發(fā)展趨勢(shì)下，產(chǎn)品的印刷電路板(PCB)也隨之越來越小，但在產(chǎn)品功能強(qiáng)大的要求之下，線路也變得更加復(fù)雜，因此PCB的面積已變得寸土寸金，造成產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)相當(dāng)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(hù)USB3.1的兩組差動(dòng)對(duì)(TXandRX)及USB2.0的差動(dòng)對(duì)(D+andD-)，具有縮小PCB面積與降低布局(Layout)復(fù)雜度等優(yōu)點(diǎn)，可節(jié)省系統(tǒng)成本。更特別的是AZ1365-06F首先采用交錯(cuò)型式的接腳，以提供PCBLayout時(shí)可利用穿透式(Feedthrough)的設(shè)計(jì)，圖三即為AZ1365-06F的接線方式。此種首創(chuàng)的組件接腳方式將可免除繞線時(shí)的諸多困擾，不但對(duì)縮短產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)間的PCBLayout工作有相當(dāng)大的幫助，同時(shí)差動(dòng)訊號(hào)線的Layout也將更為對(duì)稱，減少訊號(hào)傳輸錯(cuò)誤的機(jī)會(huì)。

附圖三以AZ1365-06F作為USB3.1ESD防護(hù)，線路可利用穿透式Layout達(dá)成