基于ESD保护器件的高频数据接口保护方案设计

基于ESD保护器件的高频数据接口保护方案设计

不同接口的电路保护要求

图1.不同高速接口的信号速度要求比较

可见，对于设计人员来讲，高速接口电路保护设计的复杂性及难点来自于工作速度，很多设计人员对于各种各样的速度表达方式感到无从下手。

DisplayPort标准规定了两种工作速度：1.62GHz和2.7GHz。设计人员可以根据具体用途和成本因素选择较低的工作速度，而较高的速度可以使刷新速度更快、分辨率更高、颜色深度更丰富。

有些情况下也有可能实现具备两种速度的设计。最新USB 3.0规范大大增加了对低电容ESD器件的需求。USB 3.0在现有USB 2.0上增加了两个高速差分信号对。由于收发差分信号对最高可在5GHz下工作，USB 3.0要求信号比DisplayPort快50%。按照这种速度，任何附加电容都会影响眼图，从而影响与USB 3.0规范的相符性。

以上高速数据传输接口电路保护的主要困难是，保护器件的过大寄生电容会造成一定程度的信号衰减，从而降低显示质量。因此，ESD器件要根据其所保护的电路接口的信号频率，选择足够低电容以及稳定ESD分流能力的ESD器件，并在元件尺寸、ESD保护性能以及实现的便利性之间进行取舍。在高速数据接口电路上添加ESD保护时，必须考虑外加电容和电感对高速差分信号的时序影响。当USB3.0在高达5GHz的速度下工作时，线路上任何额外阻抗都有可能会使信号失真，导致其难以满足规定眼图中的信号上升时间和维持信号电平。

选择合适的ESD保护器件

高速信号的时序性能一般用眼图进行测量，眼图是一种用来精确显示时序和点评误差的分析工具。如图2所示，眼图中间的灰色部分代表高速差分信号的电气规格。当线条逐渐侵占灰色部分，误差余量变得越来越小。眼宽度是代表数据线稳定时间以及是否存在误差的理想指标。眼高度则表示信号电平或振幅。由于TMDS对为差分信号，尽量减小差分电容和信号-对-地电容十分重要，这样才能保证信号的上升时间和下降时间符合要求。最理想的情况是，电容足够低，以给设计人员的足够的设计余量。

为满足高速数据通信接口既使得ESD保护有效、又不影响高速信号传输的要求。近年来，市场上推出了多种专门适用于此类保护要求的器件，例如泰科电子瑞侃电路保护部推出的高分子ESD抑制器件PESD，以及低电容硅类ESD器件SESD。PESD器件的电容极低，典型值0.25pF，漏电流极小（《0.001A）；ESD防护快速有效， 价格低于低电容硅器件。泰科电子推出的低电容硅类ESD器件包括0201封装，典型电容为0.6pF的SESD0201C-006-058， 0402封装，典型电容为0.5pF的SESD0402S-005-054。

图2展示了泰科电子0.25pF PESD器件在3.4GHz下工作（HDMI 1.3）的眼图性能，如图所示，当接口传输速度高达HDMI1.3定义的最高3.4GHz时，采用泰科电子PESD静电保护元件的信号在传输过程中，在信号上升时间、下降时间以及信号电平上都有足够裕量，能够保证数据正常传输不受影响。

覆盖较宽频率范围的低插入损耗和稳定的电容，也对实现保护充分、节省成本和信号衰减最小这一最终目标具有重要影响。插入损耗是衡量信号衰减-频率关系的一个重要指标。插入损耗过高会降低设备和系统带宽，对满足眼图电平带来额外的设计约束。

图3 泰科电子瑞侃PESD器件的插入损耗曲线

图4 泰科电子瑞侃SESD器件的插入损耗曲线

PPTC 过流保护

图5 典型HDMI接口电路保护方案设计-ESD与过流保护

图6 典型DisplayPort接口电路保护方案设计-ESD与过流保护

图7 典型USB3.0 电路保护方案设计-ESD，过流越过压保护

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