ESD保護(hù)時(shí)怎樣維持USB信號(hào)完整性

USB2.0的數(shù)據(jù)傳輸率達(dá)480Mbps。手機(jī)、MP3播放器和其它電子產(chǎn)品中，通用串行總線(USB)已經(jīng)成為一項(xiàng)流行特性。USB使得數(shù)據(jù)在不同電子設(shè)備之間的傳輸更快更方便，對(duì)于那些使用USB2.0端口的產(chǎn)品而言尤為如此。

隨著常見文件的大小持續(xù)增加，高數(shù)據(jù)率也變得越來越重要。在這種等級(jí)的數(shù)據(jù)率，為數(shù)據(jù)線路增加任何電容都可能造成信號(hào)波形失真，導(dǎo)致數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)傳輸?shù)闹袛嗪?或故障。這就對(duì)USB2.0接口上使用的靜電放電(ESD)保護(hù)器件提出了更高的要求。ESD保護(hù)器件在正常數(shù)據(jù)傳輸期間必須對(duì)信號(hào)保持透明狀態(tài)，而在系統(tǒng)級(jí)ESD兼容性測(cè)試或應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)中遭受實(shí)際ESD事件時(shí)，必須使受保護(hù)對(duì)象免受損傷或干擾。如今，設(shè)計(jì)人員面對(duì)著需要找到合適的ESD保護(hù)解決方案，既能保護(hù)敏感線路，又不增加會(huì)導(dǎo)致信號(hào)質(zhì)量降低的電容的挑戰(zhàn)。

USB2.0眼圖

可以使用眼圖來評(píng)估增加電容對(duì)帶寬和信號(hào)質(zhì)量的影響。眼圖提供最低及最高電壓電平以及信號(hào)抖動(dòng)的數(shù)字信號(hào)。眼圖將能夠暴露出USB數(shù)據(jù)傳輸完整性方面的任何問題。

通過在示波器的垂直軸對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行反復(fù)采樣、同時(shí)采用相應(yīng)數(shù)據(jù)率對(duì)水平時(shí)間掃描進(jìn)行觸發(fā)來生成眼圖。所獲得的圖形看上去象眼睛，如圖1所示?！把劬Α痹酱?，數(shù)據(jù)完整性越高。通常采用模板(mask)來對(duì)可接受的信號(hào)質(zhì)量進(jìn)行定義。這模板由“眼睛”中間的六角形和“眼睛”上、下的矩陣組成。如果測(cè)得的信號(hào)跡線穿越模板的邊線，那么信號(hào)質(zhì)量就不可接受。USB2.0信號(hào)模板規(guī)范由USB應(yīng)用者論壇(USBIF,www.usb.org)提供，可參見USB2.0版規(guī)范第7.1.2.2章節(jié)。圖1中顯示了帶有詳細(xì)臨界點(diǎn)的眼圖。

圖1、USB2.0眼圖

不同電容范圍保護(hù)器件的眼圖評(píng)估。我們采用480Mbps數(shù)據(jù)率的USB2.0信號(hào)，測(cè)量了具有不同電容范圍的三種不同保護(hù)器件的眼圖，并將其與USB2.0模板進(jìn)行比較。我們還評(píng)估了不帶保護(hù)器件的電路板，用于比較和參考。通過將不同保護(hù)器件的眼圖與沒有保護(hù)器件的眼圖進(jìn)行比較，可以展現(xiàn)出由保護(hù)器件導(dǎo)致的信號(hào)衰減程度。需要說明的是，本文僅考慮ESD保護(hù)二極管的電容量及其對(duì)USB2.0高速信號(hào)的影響。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，線路上的其它元器件或電路板本身也可能會(huì)增加電容。

圖2、沒有保護(hù)器件所測(cè)得的眼圖

圖2顯示的是沒有保護(hù)器件時(shí)的測(cè)試信號(hào)。這代表了沒有信號(hào)衰減的純粹USB2.0高速信號(hào)，因?yàn)榫€路上沒有另外增加電容。

圖3顯示的是增加了0.5pF電容ESD保護(hù)器件(安森美半導(dǎo)體超低電容ESD器件ESD9L5.0ST5G)的USB2.0高速信號(hào)眼圖。

這眼圖反映出信號(hào)沒有重要變化或區(qū)別。這0.5pF電容ESD器件由于電容值是如此之低，對(duì)數(shù)據(jù)信號(hào)完整性的負(fù)作用可以忽略不
計(jì)。這就為設(shè)計(jì)人員提供了極佳的ESD保護(hù)選擇，具有最高的靈活性，將電容預(yù)算留給增加其它元件。

圖3、增加ESD9L5.0ST5G0.5pF電容ESD器件所測(cè)得的USB2.0高速信號(hào)眼圖。

下一項(xiàng)測(cè)試采用的是6.0pF電容的ESD保護(hù)器件(安森美半導(dǎo)體ESD9C5.0ST5G)，見圖4。由于電容增加，與沒有增加電容的測(cè)試相比，可以從眼圖觀察到信號(hào)質(zhì)量明顯下降。主要的下降體現(xiàn)在上升時(shí)間和下降時(shí)間的增加。圖4所示的眼圖看上去可以接受，但也顯示出保護(hù)器件占用了極大部分的電容預(yù)算。在大多數(shù)設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)中的其它元器件可能會(huì)增加大量的電容，造成信號(hào)質(zhì)量進(jìn)一步下降。這6.0pF電容ESD保護(hù)器件將需要在最終系統(tǒng)設(shè)計(jì)中進(jìn)行測(cè)試，以確保它仍然可以接受，并在增加其它元器件的情況下能夠滿足兼容性要求。

圖4、ESD9C5.0ST5G6pF器件，其中箭頭重點(diǎn)說明了采用較高電容器件時(shí)開始出現(xiàn)信號(hào)質(zhì)量下降。

最后測(cè)試采用65pF電容ESD保護(hù)器件(安森美半導(dǎo)體ESD9X5.0ST5G)來進(jìn)行，見圖5。這眼圖顯示信號(hào)質(zhì)量退化嚴(yán)重，上升和下降時(shí)間顯示增加。信號(hào)跡線穿越USB2.0眼圖模板，顯示這保護(hù)器件不能用于USB2.0應(yīng)用。

ESD9L5.0ST5G的超低電容(0.5pF)為USB2.0高速應(yīng)用提供了最佳的半導(dǎo)體ESD保護(hù)器件設(shè)計(jì)選擇。

上述眼圖研究顯示ESD9L5.0ST5G對(duì)邏輯電平的影響極低，并且不會(huì)使上升時(shí)間和下降時(shí)間出現(xiàn)失真。除了對(duì)數(shù)據(jù)信號(hào)傳輸沒有干擾，這器件還擁有高于8kV的ESD額定電平，為設(shè)計(jì)人員提供極佳的ESD保護(hù)器件選擇，不僅能夠提供所需的ESD保護(hù)，同時(shí)還維持信號(hào)完整性。