基於AZ1065的USB 3.0介麵ESD防護設計
發布時間:2013-05-09 責任編輯:eliane
【導讀】USB3.0具有高達5Gbps的資料傳輸速度,但其控製晶片對ESD的耐受能力也快速下降,加上最普遍的USB熱插拔動作,也極易造成電子係統工作異常,甚至造成USB控製晶片毀壞,因此,使用額外的ESD保護元件於USB3.0介麵來防止ESD事件對資料傳輸的幹擾是絕對必要的。
隨著晶片大廠英特爾2012年推出Ivy Bridge新平台,晶片組支援USB3.0,確認USB3.0成為主流規格,預計在新的作業係統Win 8發酵下,將促成USB3.0快速地普及化。USB3.0的資料傳輸速度達到5Gbps,比USB2.0快上十倍。為實現如此高速的傳輸速度,USB3.0控製晶片必須使用最先進的半導體製程技術,所使用的元件閘極氧化層很薄且接麵很淺,造成USB3.0的控製晶片對ESD的耐受能力快速下降。
另一個問題在於使用者最普遍的USB應用就是隨插即用、隨拔即關,然而這個熱插拔(Hot Plug)動作卻也經常是造成電子係統工作異常,甚至造成USB控(kong)製(zhi)晶(jing)片(pian)毀(hui)壞(huai)的(de)元(yuan)凶(xiong)。因(yin)為(wei)在(zai)熱(re)插(cha)拔(ba)中(zhong),由(you)於(yu)接(jie)口(kou)端(duan)的(de)訊(xun)號(hao)線(xian)已(yi)經(jing)帶(dai)電(dian),本(ben)身(shen)就(jiu)像(xiang)是(shi)個(ge)帶(dai)電(dian)的(de)大(da)電(dian)容(rong)會(hui)在(zai)接(jie)觸(chu)係(xi)統(tong)時(shi)作(zuo)放(fang)電(dian)動(dong)作(zuo)。這(zhe)種(zhong)現(xian)象(xiang)等(deng)同(tong)於(yu)靜(jing)電(dian)放(fang)電(dian)效(xiao)應(ying)會(hui)對(dui)係(xi)統(tong)產(chan)生(sheng)嚴(yan)重(zhong)破(po)壞(huai),我(wo)們(men)一(yi)般(ban)稱(cheng)這(zhe)種(zhong)現(xian)象(xiang)為(wei)直(zhi)接(jie)放(fang)電(dian)(Direct Injection)。目前在係統的靜電放電測試上,越來越多的廠商要求以Direct-Pin Injection方式測試產品,以此來模擬係統在用戶端使用時遭受到ESD事件的狀況。部份係統廠商甚至規範其產品的USB3.0連接埠以Direct-Pin Injection方式測試必須通過±8kV的ESD轟擊,並且係統必須在不受任何影響之下通過測試。因此,使用額外的ESD保護元件於USB3.0介麵來防止ESD事件對資料傳輸的幹擾是絕對需要的。
對於USB3.0的高速介麵而言,在選擇ESD保護元件時必須考慮到:
1.ESD保護元件若要能對係統提供有效保護,除了本身要能承受夠高的ESD轟擊外,還需要考慮箝製電壓(Clamping Voltage)是否足夠低,使得ESD的能量能被箝製在更低的電壓以防止係統內部電路受到損毀。因此箝製電壓是判斷ESD保護元件對於係統電路保護效能最重要的參數。
2.為確保USB3.0高速訊號傳輸時不會受到影響以及訊號的完整性,所以選擇ESD保護元件時,必須選擇其寄生電容越低越好,建議選擇寄生電容必須低於0.3pF。
3.在電子產品朝向輕薄短小的發展趨勢下,產品使用的印刷電路板麵積已變得寸土寸金。針對USB3.0介麵,使用單顆多通道的ESD保護元件為目前最經濟有效的選擇。

圖1:使用傳輸線脈衝產生係統量測AZ1065的電流對電壓曲線
晶焱科技的AZ1065係列的ESD保護元件,寄生電容低於0.3pF,能夠順利通過5Gbps的Eye Diagram測試。AZ1065係列產品擁有最低的ESD箝製電壓,能夠有效地協助USB3.0介麵通過以Direct-Pin Injection方式的±8kV靜電放電轟擊。圖一為利用傳輸線脈衝產生係統(TLP)量測AZ1065係列產品的電流對電壓曲線。在IEC 61000-4-2接觸模式6kV的ESD衝擊下(等效TLP電流約為17A),箝製電壓僅有13V,能有效避免係統產品於ESD測試時發生資料錯誤、當機甚至損壞的情況。

圖2:使用AZ1065作為USB3.0的ESD防護
此外,AZ1065係列產品提供了六個極低電容的接腳,可同時保護USB3.0的兩組差動對(TX和RX)與USB 2.0的差動對(D+和D-),以及電源端VBUS的保護,具有縮小印刷電路板麵積與降低布局(Layout)複雜度等優點,可節省係統成本。更特別的是其DFN-10的封裝並且采用交錯型式的接腳,提供印刷電路板布局時可利用穿透式(Feed through)的設計,如圖二所示。
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