ESD保護時(shí)如何維持USB信號完整性
中心議題：
- ESD保護時(shí)如何維持USB信號完整性
- ESD保護二極管的電容量及其對USB2.0高速信號的影響
解決方案：
- 其它元器件可能會(huì )增加大量的電容，造成信號質(zhì)量進(jìn)一步下降
- 合適的ESD方案能保護敏感線(xiàn)路，又不增加會(huì )導致信號質(zhì)量降低的電容的挑戰
手機、MP3播放器和其它電子產(chǎn)品中，通用串行總線(xiàn)(USB)已經(jīng)成為一項流行特性。USB使得數據在不同電子設備之間的傳輸更快更方便，對于那些使用USB2.0端口的產(chǎn)品而言尤為如此。USB2.0的數據傳輸率達480Mbps。
隨著(zhù)常見(jiàn)文件的大小持續增加，高數據率也變得越來(lái)越重要。在這種等級的數據率，為數據線(xiàn)路增加任何電容都可能造成信號波形失真，導致數字數據傳輸的中斷和/或故障。這就對USB2.0接口上使用的靜電放電(ESD)保護器件提出了更高的要求。ESD保護器件在正常數據傳輸期間必須對信號保持透明狀態(tài)，而在系統級ESD兼容性測試或應用現場(chǎng)中遭受實(shí)際ESD事件時(shí)，必須使受保護對象免受損傷或干擾。如今，設計人員面對著(zhù)需要找到合適的ESD保護解決方案，既能保護敏感線(xiàn)路，又不增加會(huì )導致信號質(zhì)量降低的電容的挑戰。
USB2.0眼圖
可以使用眼圖來(lái)評估增加電容對帶寬和信號質(zhì)量的影響。眼圖提供最低及最高電壓電平以及信號抖動(dòng)的數字信號。眼圖將能夠暴露出USB數據傳輸完整性方面的任何問(wèn)題。
通過(guò)在示波器的垂直軸對數字信號進(jìn)行反復采樣、同時(shí)采用相應數據率對水平時(shí)間掃描進(jìn)行觸發(fā)來(lái)生成眼圖。所獲得的圖形看上去象眼睛，如圖1所示。“眼睛”越大，數據完整性越高。通常采用模板(mask)來(lái)對可接受的信號質(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。如果測得的信號跡線(xiàn)穿越模板的邊線(xiàn)，那么信號質(zhì)量就不可接受。USB2.0信號模板規范由USB應用者論壇(USBIF,www.usb.org)提供，可參見(jiàn)USB2.0版規范第7.1.2.2章節。圖1中顯示了帶有詳細臨界點(diǎn)的眼圖。
圖1、USB2.0眼圖
不同電容范圍保護器件的眼圖評估。我們采用480Mbps數據率的USB2.0信號，測量了具有不同電容范圍的三種不同保護器件的眼圖，并將其與USB2.0模板進(jìn)行比較。我們還評估了不帶保護器件的電路板，用于比較和參考。通過(guò)將不同保護器件的眼圖與沒(méi)有保護器件的眼圖進(jìn)行比較，可以展現出由保護器件導致的信號衰減程度。需要說(shuō)明的是，本文僅考慮ESD保護二極管的電容量及其對USB2.0高速信號的影響。在實(shí)際設計中，線(xiàn)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(méi)有保護器件所測得的眼圖
圖2顯示的是沒(méi)有保護器件時(shí)的測試信號。這代表了沒(méi)有信號衰減的純粹USB2.0高速信號，因為線(xiàn)路上沒(méi)有另外增加電容。
圖3顯示的是增加了0.5pF
電容ESD保護器件(安森美半導體超低電容ESD器件ESD9L5.0ST5G)的USB2.0高速信號眼圖。
這眼圖反映出信號沒(méi)有重要變化或區別。這0.5pF電容ESD器件由于電容值是如此之低，對數據信號完整性的負作用可以忽略不
計。這就為設計人員提供了極佳的ESD保護選擇，具有最高的靈活性，將電容預算留給增加其它元件。
圖3、增加ESD9L5.0ST5G0.5pF電容ESD器件所測得的USB2.0高速信號眼圖。
下一項測試采用的是6.0pF電容的ESD保護器件(安森美半導體ESD9C5.0ST5G)，見(jiàn)圖4。由于電容增加，與沒(méi)有增加電容的測試相比，可以從眼圖觀(guān)察到信號質(zhì)量明顯下降。主要的下降體現在上升時(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，但也顯示出保護器件占用了極大部分的電容預算。在大多數設計中，設計中的其它元器件可能會(huì )增加大量的電容，造成信號質(zhì)量進(jìn)一步下降。這6.0pF電容ESD保護器件將需要在最終系統設計中進(jìn)行測試，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(mǎn)足兼容性要求。
圖4、ESD9C5.0ST5G6pF器件，其中箭頭重點(diǎn)說(shuō)明了采用較高電容器件時(shí)開(kāi)始出現信號質(zhì)量下降。
最后測試采用65pF電容ESD保護器件(安森美半導體ESD9X5.0ST5G)來(lái)進(jìn)行，見(jiàn)圖5。這眼圖顯示信號質(zhì)量退化嚴重，上升和下降時(shí)間顯示增加。信號跡線(xiàn)穿越USB2.0眼圖模板，顯示這保護器件不能用于USB2.0應用。
ESD9L5.0ST5G的超低電容(0.5pF)為USB2.0高速應用提供了最佳的半導體ESD保護器件設計選擇。
上述眼圖研究顯示ESD9L5.0ST5G對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)間出現失真。除了對數據信號傳輸沒(méi)有干擾，這器件還擁有高于8kV的ESD額定電平，為設計人員提供極佳的ESD保護器件選擇，不僅能夠提供所需的ESD保護，同時(shí)還維持信號完整性。
