高頻數(shù)據(jù)傳輸接口電路保護方案設計

高頻數(shù)據(jù)傳輸接口電路保護方案設計

IC制程技術(shù)的不斷發(fā)展、高速數(shù)據(jù)傳輸接口的大行其道，使得相關(guān)的ESD防護變得日益困難。對更快處理速度和更高功能密度的強烈需求，推動IC制造者進一步縮減MOS元件的最小尺寸，尤其當制造技術(shù)轉(zhuǎn)向90nm以下時，IC芯片體積越來越小、密度越來越高、功能越來越復雜，而其使用的電磁環(huán)境卻日趨嚴酷，也使其更易遭受ESD、過壓及過流的損害。同時，各種高速接口的持續(xù)發(fā)展，特別是便攜式多媒體設備的高速成長，使得數(shù)據(jù)的高速傳輸成為必然。而怎樣才能在保護接口安全的同時保證數(shù)據(jù)的高速傳輸，已然成為高頻數(shù)據(jù)接口面對的難題。

不同接口的電路保護要求

在目前的主流接口中，USB的使用最為廣泛，最新的USB3.0更是會支持高達5Gbps的傳輸速度。當傳輸速度提升到如此高時，信號的保持時間僅有 200ps，此時傳統(tǒng)的高電容MLV、TVS等器件將無法用于ESD保護，高寄生電容將嚴重引起信號波形失真：它減少了電平保持時間，令信號上升和下降沿大為改變，以至于信號無法達到正常的工作電平。與之相比，HDMI1.3標準將早期HDMI1.0-1.2的數(shù)據(jù)傳輸速率提高了一倍，達到每對差分信號 3.4Gbps。要達到如此高的數(shù)據(jù)傳輸速率，低電容和出色的電路板設計將成為充分保證信號完整性的關(guān)鍵。

新型 DisplayPort接口也正在被許多個人電腦、監(jiān)視器、投影儀以及其他顯示內(nèi)容(播放)源設計所采用。DisplayPort接口在高達 2.7Gbps的速率下工作，這比原來的視頻/多媒體互聯(lián)標準高得多，因此也面臨著同樣的挑戰(zhàn)。硬盤驅(qū)動器、電腦和機頂盒廠家正在向E-SATA (外部串行ATA)標準看齊，把它作為在存儲設備之間傳遞視頻的快速方式，最新SATA3.0標準最新定義的最高傳輸帶寬將高達6Gbps。E-SATA 技術(shù)對ESD的需求與HDMI及DisplayPort十分相似，E-SATA的熱插拔性質(zhì)使得高等級ESD保護變得尤為關(guān)鍵。

圖1.不同高速接口的信號速度要求比較

可見，對于設計人員來講，高速接口電路保護設計的復雜性及難點來自于工作速度，很多設計人員對于各種各樣的速度表達方式感到無從下手。

以 HDMI1.3和DisplayPort為例，HDMI1.3一般是指在340Mpixel/s下按最高10Gbps的數(shù)據(jù)傳輸速度工作，這里的最高傳輸速度表示接口將根據(jù)所連接的發(fā)生器和接收器的視頻能力而改變其時鐘速率。被連接的兩種設備的分辨率或顏色深度越高，時鐘頻率就越高。比如，高清視頻在 1,080p模式下就比在1,080i模式下要處理的數(shù)據(jù)信息多，時鐘速率也更快。實際工作時，HDMI的工作速度取決于發(fā)射器和接收器的能力以及播放源的分辨率和顏色深度。圖１所示為常用高速接口的TMDS的最高工作速率。

DisplayPort標準規(guī)定了兩種工作速度：1.62GHz和2.7GHz。設計人員可以根據(jù)具體用途和成本因素選擇較低的工作速度，而較高的速度可以使刷新速度更快、分辨率更高、顏色深度更豐富。

有些情況下也有可能實現(xiàn)具備兩種速度的設計。最新USB 3.0規(guī)范大大增加了對低電容ESD器件的需求。USB 3.0在現(xiàn)有USB 2.0上增加了兩個高速差分信號對。由于收發(fā)差分信號對最高可在5GHz下工作，USB 3.0要求信號比DisplayPort快50%。按照這種速度，任何附加電容都會影響眼圖，從而影響與USB 3.0規(guī)范的相符性。

以上高速數(shù)據(jù)傳輸接口電路保護的主要困難是，保護器件的過大寄生電容會造成一定程度的信號衰減，從而降低顯示質(zhì)量。因此，ESD器件要根據(jù)其所保護的電路接口的信號頻率，選擇足夠低電容以及穩(wěn)定ESD分流能力的ESD器件，并在元件尺寸、ESD保護性能以及實現(xiàn)的便利性之間進行取舍。在高速數(shù)據(jù)接口電路上添加ESD保護時，必須考慮外加電容和電感對高速差分信號的時序影響。當USB3.0在高達5GHz的速度下工作時，線路上任何額外阻抗都有可能會使信號失真，導致其難以滿足規(guī)定眼圖中的信號上升時間和維持信號電平。

選擇合適的ESD保護器件

高速信號的時序性能一般用眼圖進行測量，眼圖是一種用來精確顯示時序和點評誤差的分析工具。如圖2所示，眼圖中間的灰色部分代表高速差分信號的電氣規(guī)格。當線條逐漸侵占灰色部分，誤差余量變得越來越小。眼寬度是代表數(shù)據(jù)線穩(wěn)定時間以及是否存在誤差的理想指標。眼高度則表示信號電平或振幅。由于TMDS對為差分信號，盡量減小差分電容和信號-對-地電容十分重要，這樣才能保證信號的上升時間和下降時間符合要求。最理想的情況是，電容足夠低，以給設計人員的足夠的設計余量。

圖2 在3.4GHz下工作的泰科電子0.25pF PESD器件的眼圖

為滿足高速數(shù)據(jù)通信接口既使得ESD保護有效、又不影響高速信號傳輸?shù)囊?。近年來，市場上推出了多種專門適用于此類保護要求的器件，例如泰科電子瑞侃電路保護部推出的高分子ESD抑制器件PESD，以及低電容硅類ESD器件SESD。PESD器件的電容極低，典型值0.25pF，漏電流極小 (0.001A)；ESD防護快速有效, 價格低于低電容硅器件。泰科電子推出的低電容硅類ESD器件包括0201封裝，典型電容為0.6pF的SESD0201C-006-058, 0402封裝，典型電容為0.5pF的SESD0402S-005-054。

圖2展示了泰科電子0.25pF PESD器件在3.4GHz下工作(HDMI 1.3)的眼圖性能，如圖所示，當接口傳輸速度高達HDMI1.3定義的最高3.4GHz時，采用泰科電子PESD靜電保護元件的信號在傳輸過程中，在信號上升時間、下降時間以及信號電平上都有足夠裕量，能夠保證數(shù)據(jù)正常傳輸不受影響。

覆蓋較寬頻率范圍的低插入損耗和穩(wěn)定的電容，也對實現(xiàn)保護充分、節(jié)省成本和信號衰減最小這一最終目標具有重要影響。插入損耗是衡量信號衰減-頻率關(guān)系的一個重要指標。插入損耗過高會降低設備和系統(tǒng)帶寬，對滿足眼圖電平帶來額外的設計約束。

ESD 保護器件的電容與頻率特性也可能影響高速端口的設計性能，從而增加設計約束。在高速系統(tǒng)中，針對某特定電容而設計的電路可能因采用的ESD保護方法不同而表現(xiàn)不同，這就迫使設計人員在構(gòu)思HDMI電路保護機制時不得不使用復雜的軟件過程改進與能力測定(SPICE)模型和仿真手段。圖3，圖4展示了泰科電子兩種用于高速數(shù)據(jù)傳輸接口保護E的SD器件在高頻傳輸速率下的插入損耗。

圖3 泰科電子瑞侃PESD器件的插入損耗曲線

圖4 泰科電子瑞侃SESD器件的插入損耗曲線

泰科電子的PESD相對于其它的聚合物ESD保護器件，具有較低觸發(fā)電壓和箝位電壓、耐受ESD沖擊、壽命長等特點；SESD相對于聚合物PESD 元件，電容略高(0.6pF)，但其觸發(fā)電壓與箝位電壓相對更低，對于極其敏感的IC具有更好的防護作用。泰科電子推出的這兩款產(chǎn)品可以完全覆蓋高速數(shù)據(jù)傳輸接口的保護，設計者可以根據(jù)保護等級、接口電路的工作頻率、元件尺寸、成本以及實現(xiàn)的便利性等進行選擇。這兩個系列的產(chǎn)品采用了電子工業(yè)中最為流行的 0603、0402以及目前最小的0201封裝，符合RoHS嚴格要求，能夠幫助機頂盒敏感電路、手提電腦、手機和其它便攜式設備免ESD侵害。

PPTC過流保護

出于安全和調(diào)整考慮，HDMI、USB和DisplayPort規(guī)范也要求終端用戶可接觸的供電連接器實現(xiàn)過流保護。過流保護器件必須可以復位而無須用戶機械干預，為防止誤動作，其預設動作極限必須高于允許的瞬變電流，同時要求保護元件的常態(tài)電阻足夠低，以免造成太多的壓降。聚合正溫度系數(shù)(PPTC)器件在各種高速接口應用中的效果已經(jīng)得到證明。與傳統(tǒng)熔斷器一樣，當電流超過規(guī)定極限電流時它們將限制回路電流。但是，與熔斷器不同的是，PPTC可以在故障清除、電源重新上電后復位。PPTC器件具有電阻低、動作時間快和外形尺寸小的特點，使其成為許多供電總線架構(gòu)中過流保護的首選方法。

不同于HDMI和DisplayPort，USB接口通常用來為便攜電子產(chǎn)品提供電源、充電等功能。因此，對于采用USB接口供電或充電的下游設備，會受到感應式電壓尖峰，錯誤充電器，反向偏壓導致的危害。泰科電子的polyZen元件是聚合物保護的精密齊納二極管微型集成模塊