USB3.0案例，TVS對(duì)眼圖的影響

編者注：本文轉(zhuǎn)載自NXP的應(yīng)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(dāng)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(dá) 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(tǒng)概述

2008 年 11 月， USB3.0 技術(shù)規(guī)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(dú)的全新超高速數(shù)據(jù)鏈路。超高速度鏈路為下載（主機(jī)=>器件，被稱為發(fā)送方向）和接收方向上的上傳（器件=>主機(jī)）提供了單獨(dú)的差分?jǐn)?shù)據(jù)線路。超高速度模式可提供的最高數(shù)據(jù)率為 5 Gb/s（請(qǐng)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(jī)側(cè)和器件側(cè)實(shí)現(xiàn)了靜電防護(hù)）

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(jié)構(gòu)，以提供三條差分耦合信號(hào)線（TX+/Tx-、 RX+/Rx-和 D+/D-）。Vcc 線和接地線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(zhàn)是，支持很高的截止頻率，而不會(huì)在相鄰的差分耦合線對(duì)之間形成干擾。（請(qǐng)參閱圖 2）

圖 2 USB3.0 電纜結(jié)構(gòu)和電纜衰減（差分模式）

為了支持 USB3.0 電纜所包含的全部線路，必須強(qiáng)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。從靜電防護(hù)的角度而言，這導(dǎo)致標(biāo)準(zhǔn) A連接器的超高速度模式線路很容易被靜電擊中（在主機(jī)側(cè)和器件側(cè)）。一種強(qiáng)有力的對(duì)策是在USB3.0 鏈路中實(shí)現(xiàn)高效的靜電防護(hù)機(jī)制。

超高速數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)面臨的一個(gè)最為嚴(yán)峻的問(wèn)題是，確保在接收端實(shí)現(xiàn)一定程度的信號(hào)完整性。高信號(hào)完整性對(duì)實(shí)現(xiàn)很低的誤碼率非常重要（譬如，對(duì)于 USB3.0 超級(jí)速度模式，典型誤碼率為 1E-12）。眼圖表明了信號(hào)完整性的特性。

在擁有無(wú)限帶寬的完美系統(tǒng)中，眼圖完全張開(kāi)。而在實(shí)際的系統(tǒng)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(hào)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(nèi)部，和/或PCB外部。不匹配的PCB線路、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(yīng)（請(qǐng)參閱圖2）。為了抵消高頻信號(hào)的衰減，可在發(fā)送端和接收端利用專用均衡器來(lái)調(diào)整信號(hào)。

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

要實(shí)現(xiàn)適當(dāng)?shù)男盘?hào)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(hù)能力。

圖 3 發(fā)送端信號(hào)還原（ 3.5dB 標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)）和接收端線性均衡器（標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)）

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(hào)是在未經(jīng)接收端均衡器處理之前測(cè)得的。在圖（右圖）中，信號(hào)是經(jīng)接收端均衡器處理之后測(cè)得的。紅色的內(nèi)輪廓線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。紅紫色輪廓線為USB3.0技術(shù)規(guī)范中規(guī)定的超高速度模式合規(guī)測(cè)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(hào)眼圖（左圖）與經(jīng)接收端均衡器處理之后的信號(hào)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歐姆線路。鏈路內(nèi)部的阻抗不匹配造成的信號(hào)反射會(huì)降低信號(hào)完整性。為了避免出現(xiàn)這種情況，包括 USB3.0 電纜在內(nèi)的整個(gè)布局設(shè)計(jì)，應(yīng)當(dāng)實(shí)現(xiàn) 90 歐姆差分阻抗匹配。

為了使“削弱斜率”盡可能小，并且提供相同的線路延遲時(shí)間，所有差分耦合線路均必須為相同的長(zhǎng)度。對(duì)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(hào)完整性，從而導(dǎo)致所謂的“差模共模信號(hào)轉(zhuǎn)換”。所生產(chǎn)的共模信號(hào)會(huì)影響EMI測(cè)試的順利進(jìn)行。阻抗匹配的適當(dāng)布局設(shè)計(jì)，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(hù)布局設(shè)計(jì)提議

在整個(gè) USB3.0 鏈路的布局設(shè)計(jì)中，應(yīng)考慮下列因素：

（1）所有 PCB 線路和互連電纜均強(qiáng)制要求采用完全阻抗匹配的 90 歐姆差分設(shè)計(jì)

（2）必須最大限度地減少非差分耦合線路。非差分耦合線路會(huì)嚴(yán)重影響眼圖內(nèi)眼張開(kāi)程度

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

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

圖 5 所示為兼具靜電防護(hù)電路的 USB3.0 標(biāo)準(zhǔn)A連接器橫截面布局設(shè)計(jì)示例。

圖 5 標(biāo)準(zhǔn) A 連接器+英飛凌靜電防護(hù)裝置 USB3.0 布局設(shè)計(jì)建議

4. 面向 USB3.0 的現(xiàn)代化靜電防護(hù)策略

一方面，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，擴(kuò)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(duì)提供可靠靜電防護(hù)機(jī)制的要求與日俱增。

USB3.0可提供最高5Gb/s的數(shù)據(jù)率，因此基本頻率高達(dá)2.5GHz。為了實(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。第3諧波甚或第5諧波的處理，不應(yīng)發(fā)生明顯衰減。只能通過(guò)利用寄生效應(yīng)最小且半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)速度最快的技術(shù)尖端的半導(dǎo)體制程，才能實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。這種微型化半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)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(nèi)置靜電防護(hù)裝置，會(huì)引起寄生效應(yīng)（寄生電容），并且要占用寶貴的片上空間。

一種十分經(jīng)濟(jì)高效的方法是，結(jié)合采用內(nèi)置靜電防護(hù)機(jī)制（集成到USB3.0收發(fā)器中），和專為提供外部靜電防護(hù)而量身定制的性能強(qiáng)健的高電流應(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)置靜電防護(hù)機(jī)制旨在僅提供器件級(jí)保護(hù)，譬如，依照HBMJEDECJESD22-A115的規(guī)定。對(duì)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(nèi)置靜電防護(hù)機(jī)制起到了重要作用。專為該應(yīng)用量身定制的外部 TVS 二極管則實(shí)現(xiàn)了符合 IEC61000-4-2 標(biāo)準(zhǔn)的更加嚴(yán)格的系統(tǒng)級(jí)保護(hù)。

為了給 USB3.0 鏈路提供適當(dāng)?shù)南到y(tǒng)級(jí)靜電防護(hù)，靜電防護(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)殘余箝位電壓以及 TVS 二極管對(duì)特定靜電放電的響應(yīng)，判斷 TVS 二極管的靜電防護(hù)性能。

TVS 二極管的一些特性，會(huì)影響其靜電防護(hù)性能
? 最低導(dǎo)通電阻（R_on）（動(dòng)態(tài)電阻（R_dynamic））
? 最低擊穿電壓（V_breakdown），專為該應(yīng)用度身定制
根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，可以計(jì)算出箝位電壓（V_clamp）：

可根據(jù)TLP（傳輸線路脈沖）測(cè)定值，推導(dǎo)出動(dòng)態(tài)電阻。（參見(jiàn)圖6）為確保應(yīng)用的安全，擊穿電壓必須與所保護(hù)的線路上施加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)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(yīng)力。

根據(jù) TLP 測(cè)定圖，可計(jì)算出動(dòng)態(tài)電阻（參見(jiàn)圖 6）：

圖 6 專為給 USB3.0 超高速度鏈路提供靜電防護(hù)而量身定制的英飛凌 ESD3V3U4UL 的 TLP 測(cè)定結(jié)果

為了保護(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/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(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（擊穿電壓：最低6V）和0.4pF的典型二極管電容值。

5. 實(shí)現(xiàn)了靜電防護(hù)的 USB3.0 超高速度鏈路的信號(hào)完整性

分別在實(shí)現(xiàn)了靜電防護(hù)和未實(shí)現(xiàn)靜電防護(hù)的情況下，對(duì)整個(gè) USB3.0 超級(jí)速度鏈路執(zhí)行了信號(hào)完整性模擬。（參見(jiàn)圖 1 ）

整個(gè)收發(fā)區(qū)具備 90 歐姆差分阻抗。考慮了發(fā)送端和接收端的寄生效應(yīng)。測(cè)得數(shù)據(jù)表明了 USB3.0 電纜的狀態(tài)。規(guī)定 USB3.0 電纜的最大長(zhǎng)度為 3 米。

為了給USB3.0超高速度鏈路提供靜電防護(hù)，在主機(jī)側(cè)和器件側(cè)均配置了英飛凌ESD3V3U4ULC。ESD3V3U4ULC具備卓越的靜電防護(hù)性能，并且二極管電容（二極管對(duì)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(shè)計(jì)規(guī)則。（參見(jiàn)圖 5）

在對(duì)整條USB3.0超高速度鏈路執(zhí)行的信號(hào)完整性模擬中，按照USB3.0合規(guī)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了發(fā)送端信號(hào)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(hào)的眼圖。模擬所用誤碼率為 1E6。根據(jù)模擬結(jié)果，推導(dǎo)出誤碼率為 1E12 時(shí)的眼圖張開(kāi)程度（紅色和藍(lán)色輪廓線）。

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

圖 7 在主機(jī)側(cè)和器件側(cè)配置和未配置 ESD3V3U4ULC 時(shí)的眼圖

在主機(jī)側(cè)和器件側(cè)實(shí)現(xiàn)超低電容 TVS 二極管 ESD3V3U4ULC，眼圖張開(kāi)程度（輪廓線）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(guī)范中規(guī)定的基準(zhǔn)模式（紅紫色輪廓線）而言，仍大出許多。

浴缸狀曲線模擬詳盡地表明了TVS二極管的作用。黑色刻度線所示為USB3.0技術(shù)規(guī)范中規(guī)定的誤碼率為10E12時(shí)，眼圖基準(zhǔn)模式的電壓和時(shí)間（皮秒）參數(shù)。紅色曲線為未配備 TVS 二極管時(shí)計(jì)算所得， 藍(lán)色曲線為在主機(jī)側(cè)和器件側(cè)配置了 ESD3V3U4ULC 時(shí)計(jì)算所得。

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

6 結(jié)語(yǔ)：

精心設(shè)計(jì)USB3.0鏈路以實(shí)現(xiàn)最優(yōu)系統(tǒng)級(jí)靜電防護(hù)性能和毫厘不差的信號(hào)完整性，是一個(gè)強(qiáng)制性要求。要同時(shí)滿足這兩個(gè)要求，靜電防護(hù)器件必須具備卓越的靜電防護(hù)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(shè)計(jì)和高質(zhì)量鏈路（USB3.0電纜），便能滿足上述要求。