ESD保护时怎样维持USB信号完整性

USB2.0的数据传输率达480Mbps。手机、MP3播放器和其它电子产品中，通用串行总线(USB)已经成为一项流行特性。USB使得数据在不同电子设备之间的传输更快更方便，对于那些使用USB2.0端口的产品而言尤为如此。

随着常见文件的大小持续增加，高数据率也变得越来越重要。在这种等级的数据率，为数据线路增加任何电容都可能造成信号波形失真，导致数字数据传输的中断和/或故障。这就对USB2.0接口上使用的静电放电(ESD)保护器件提出了更高的要求。ESD保护器件在正常数据传输期间必须对信号保持透明状态，而在系统级ESD兼容性测试或应用现场中遭受实际ESD事件时，必须使受保护对象免受损伤或干扰。如今，设计人员面对着需要找到合适的ESD保护解决方案，既能保护敏感线路，又不增加会导致信号质量降低的电容的挑战。

USB2.0眼图

可以使用眼图来评估增加电容对带宽和信号质量的影响。眼图提供最低及最高电压电平以及信号抖动的数字信号。眼图将能够暴露出USB数据传输完整性方面的任何问题。

通过在示波器的垂直轴对数字信号进行反复采样、同时采用相应数据率对水平时间扫描进行触发来生成眼图。所获得的图形看上去象眼睛，如图1所示。"眼睛"越大，数据完整性越高。通常采用模板(mask)来对可接受的信号质量进行定义。这模板由"眼睛"中间的六角形和"眼睛"上、下的矩阵组成。如果测得的信号迹线穿越模板的边线，那么信号质量就不可接受。USB2.0信号模板规范由USB应用者论坛(USBIF,www.usb.org)提供，可参见USB2.0版规范第7.1.2.2章节。图1中显示了带有详细临界点的眼图。


图1、USB2.0眼图

不同电容范围保护器件的眼图评估。我们采用480Mbps数据率的USB2.0信号，测量了具有不同电容范围的三种不同保护器件的眼图，并将其与USB2.0模板进行比较。我们还评估了不带保护器件的电路板，用于比较和参考。通过将不同保护器件的眼图与没有保护器件的眼图进行比较，可以展现出由保护器件导致的信号衰减程度。需要说明的是，本文仅考虑ESD保护二极管的电容量及其对USB2.0高速信号的影响。在实际设计中，线路上的其它元器件或电路板本身也可能会增加电容。


图2、没有保护器件所测得的眼图

图2显示的是没有保护器件时的测试信号。这代表了没有信号衰减的纯粹USB2.0高速信号，因为线路上没有另外增加电容。


图3显示的是增加了0.5pF电容ESD保护器件(安森美半导体超低电容ESD器件ESD9L5.0ST5G)的USB2.0高速信号眼图。

这眼图反映出信号没有重要变化或区别。这0.5pF电容ESD器件由于电容值是如此之低，对数据信号完整性的负作用可以忽略不计。这就为设计人员提供了极佳的ESD保护选择，具有最高的灵活性，将电容预算留给增加其它元件。

图3、增加ESD9L5.0ST5G0.5pF电容ESD器件所测得的USB2.0高速信号眼图。

下一项测试采用的是6.0pF电容的ESD保护器件(安森美半导体ESD9C5.0ST5G)，见图4。由于电容增加，与没有增加电容的测试相比，可以从眼图观察到信号质量明显下降。主要的下降体现在上升时间和下降时间的增加。图4所示的眼图看上去可以接受，但也显示出保护器件占用了极大部分的电容预算。在大多数设计中，设计中的其它元器件可能会增加大量的电容，造成信号质量进一步下降。这6.0pF电容ESD保护器件将需要在最终系统设计中进行测试，以确保它仍然可以接受，并在增加其它元器件的情况下能够满足兼容性要求。


图4、ESD9C5.0ST5G6pF器件，其中箭头重点说明了采用较高电容器件时开始出现信号质量下降。

最后测试采用65pF电容ESD保护器件(安森美半导体ESD9X5.0ST5G)来进行，见图5。这眼图显示信号质量退化严重，上升和下降时间显示增加。信号迹线穿越USB2.0眼图模板，显示这保护器件不能用于USB2.0应用。


ESD9L5.0ST5G的超低电容(0.5pF)为USB2.0高速应用提供了最佳的半导体ESD保护器件设计选择。

上述眼图研究显示ESD9L5.0ST5G对逻辑电平的影响极低，并且不会使上升时间和下降时间出现失真。除了对数据信号传输没有干扰，这器件还拥有高于8kV的ESD额定电平，为设计人员提供极佳的ESD保护器件选择，不仅能够提供所需的ESD保护，同时还维持信号完整性。

编辑：吕勇