详解USB3.0系统设计挑战以及新型ESD防护策略

详解USB3.0系统设计挑战以及新型ESD防护策略

2008年，30亿个带USB2.0接口的新电子设备进入市场。预计2013年将有超过40亿个具备USB接口的新电子设备上市。随着超高速应用的发展，对具有更高数据率的外部接口的需求与日俱增，例如将外部硬盘驱动器连接至计算机。

USB3.0系统设计挑战

USB3.0物理链路在主机侧和设备侧带有ESD防护

图 1：USB3.0物理链路在主机侧和设备侧带有ESD防护。

USB3.0电缆结构

图 2a：USB3.0电缆结构。

USB3.0电缆结构

图 2a：USB3.0电缆结构。

图4a：未经接收端均衡器处理之前的信号眼图。 图4b：经接收端均衡器处理之后的信号眼图。

图4a：未经接收端均衡器处理之前的信号眼图。 图4b：经接收端均衡器处理之后的信号眼图。

超高速链路和USB2.0传输链路采用了差分耦合90欧姆线路。链路内部的阻抗不匹配造成的信号反射会降低信号完整性。为避免出现这种情况，包括USB3.0电缆在内的整个布局设计，应当实现90欧姆差分阻抗匹配。

为尽量减少斜率下降，并且提供相同的延迟时间，所有差分耦合线路均必须为相同的长度。对USB3.0电缆而言，这一点尤为重要。斜率下降的多会降低信号完整性，从而导致所谓的“差模共模信号转换”。所产生的共模信号会影响EMI测试的顺利进行。阻抗匹配的适当布局设计，能避免这些问题。

USB3.0超高速链路和USB2.0链路的布局布线考虑

具备ESD防护电路的标准A连接器USB3.0布局布线设计建议

图 5：具备ESD防护电路的标准A连接器USB3.0布局布线设计建议。

USB3.0的新型ESD防护策略

持续不断地减小芯片的各个组件的尺寸是降低生产成本、提高工作频率的根本，但与此同时，这种微型化也产生了新的问题（如容易发生ESD击穿）。因此，对提供可靠的ESD防护机制的要求与日俱增。

一种十分经济高效的方法，是同时采用内置ESD防护机制（集成到USB3.0收发器中），以及专为提供外部ESD防护而定制的性能增强（即高电流）应用电路（由器件/电路设计者在电路板上实现）。内置ESD防护机制旨在提供器件级保护，例如，严格遵守HBM JEDEC JESD 22-A115要求。内置ESD防护对在开发、生产和电路板装配过程中安全地拿放器件很重要。专为该应用定制的外部TVS二极管则按照 IEC61000-4-2标准，实现了更加严格的系统级保护。

为提供适当的USB3.0系统级ESD防护，ESD防护器件（TVS二极管）必须满足不同的要求。可参照IEC61000-4-2标准，根据残留箝位电压和TVS二极管对ESD冲击的响应，判断TVS二极管的ESD防护性能。

根据经验，可以计算出箝位电压（V_clamp）：

为确保应用的安全，压敏电压必须与所保护的线路上的最高电源电压和最高信号电平相一致。动态电阻（R_dyn）应当尽可能小。结合最优压敏电压和最低动态电阻，可最大限度地减小IC上的残留ESD应力。

可根据传输线路脉冲（TLP）测定值，推导出动态电阻（图5）。

图6：专为USB3.0超高速模式提供ESD防护而定制的英飞凌ESD3V3U4UL TVS二极管的TLP测定结果。

根据TLP测定图，可计算出动态电阻（图6）：

为对USB3.0超高速链路提供静电防护，英飞凌专为该应用定制了一只动态电阻仅为0.3欧姆左右、最高反向工作电压为3.3V（压敏电压最低4V）的TVS二极管（ESD3V3U4ULC）。在测试中，16A的ESD冲击的箝位电压为11V，这在当今市场上的同类产品中堪称佼佼者。

为保护另外的USB2.0链路，TVS二极管必须提供稍高一些的反向工作电压/压敏电压。为支持全速和低速模式，必须提供更高的压敏电压，从而形成最高+5V左右的信号振幅。英飞凌ESD5V3U1U和ESD5V3U2U系列可提供最低5.3V的反向工作电压（压敏电压最低6V），二极管电容典型值为0.4pF。

带ESD防护的USB3.0超高速链路的信号完整性

分别在带ESD防护和未带ESD防护的情况下，对图1所示的整个USB3.0超高速链路执行了信号完整性模拟。

整个收发部分具备90欧姆差分阻抗，考虑了发送侧和接收侧的寄生效应。测得数据表明了USB3.0电缆的状态。规定最长USB3.0电缆长度为3米。

为对USB3.0超高速链路提供ESD防护，在主机侧和设备侧均配置了英飞凌ESD3V3U4ULC。ESD3V3U4ULC具备卓越的ESD防护性能，并且二极管电容（二极管对地）极低，典型值为0.5pF。

在模拟中考虑了USB3.0超高速链路的基本布局布线设计规则（见图5）

在对整条USB3.0超高速链路执行的信号完整性模拟中，按照USB3.0一致性测试标准参数，实现了发送侧信号去加重和接收端均衡器，并分析了经接收端均衡器处理之后的超高速信号的眼图。模拟所用误码率为1E6。根据模拟结果，推导出误码率为1E12时的眼图张开程度（红色和蓝色轮廓线）。

分别在未带TVS二极管（红色轮廓线）和带有TVS二极管（ESD3V3U4ULC，蓝色轮廓线）的情况下，计算出眼图的张开程度（图7）。

在主机侧和设备侧带和未带ESD3V3U4ULC时的眼图

图7：在主机侧和设备侧带和未带ESD3V3U4ULC时的眼图。

在主机侧和设备侧带有超低电容TVS二极管ESD3V3U4ULC，眼图张开程度（轮廓线）会受到一定影响。虽然眼图张开程度会略微减小，但相比于USB3.0技术规范中规定的基准模式（红紫色轮廓线），仍大出许多。

本文小结

必须精心设计USB3.0链路，以实现最优系统级ESD防护性能，并且强制要求实现毫厘不差的信号完整性。为同时满足这两个要求，ESD防护器件必须具有卓越的ESD防护性能和很低的器件电容。采用“阵列”配置的英飞凌ESD3V3U4ULC，结合清楚明了的布局布线设计和高质量链路 （USB3.0电缆），能够实现上述要求。

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