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1.5Mb/s和12Mb/s的速率。2000年，usb2.0面市。新的高速(HS)模式可提供高達(dá)480Mb/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更高數(shù)據(jù)率為5Gb/s(請(qǐng)參閱圖1)。

圖1usb3.0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2usb3.0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)必須更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(更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可提供更高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)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?？蓞⒄誌EC61000-4-2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

?更低導(dǎo)通電阻(R_on)(動(dòng)態(tài)電阻(R_dynamic))

?更低擊穿電壓(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)的線路上施加的更高電源電壓和更高信號(hào)電平相一致。動(dòng)態(tài)電阻(R_dyn)應(yīng)當(dāng)盡可能小。結(jié)合更優(yōu)擊穿電壓和更低動(dòng)態(tài)電阻，可更大限度地減小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，從而形成更高+5V左右的信號(hào)振幅。英飛凌ESD5V3U1U和ESD5V3U2U系列可提供更低5.3V的反向工作電壓(擊穿電壓：更低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?？紤]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電纜的更大長(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接口以實(shí)現(xiàn)更優(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。