USB3.1静电放电防护的最佳解决方案详解

USB(UniversalSerialBus,通用串行总线)，是目前各式电子产品中使用最广泛接口。也因为它的应用是如此的广泛，使用者对它的使用需求相对的就会要求越来越多。其中最直接的要求就是传输速度，USB协会在USB3.1规格里定义了一些新名词，将运作在5Gbps的USB标准称为Gen1，运作在10Gbps的方案则称为Gen2;而GenX则代表可运作在5Gbps或10Gbps。如同USB2.0接口叫做HighSpeed，USB3.0界面称为SuperSpeed，运行在10Gbit/s的界面称之为SuperSpeedPlus。

USB3.0已经在桌面计算机、笔记本电脑、外接式硬盘、随身碟等产品上随处可见，然而USB3.0的增强版USB3.1可以提供10Gbit/s的传输速度，系USB3.0的两倍，将可以满足对带宽需求愈来愈高的新应用，例如超高画质(UHD)电视、显示器及固态硬盘(SSD)等应用需求，同时还能向下兼容USB2.0。

USB3.1控制芯片必须使用更先进的制程来设计与制造，但这也造成USB3.1的控制芯片对ESD的耐受能力快速下降。除此之外，USB3.1会被大量用来传输影音数据，对数据传输容错率会有越严格的要求，使得使用额外的保护组件来防止ESD事件对数据传输的干扰变得很必要。除了传输速度的要求之外，另一个使用者最普遍的USB应用就是即插即用、随拔即关。然而这个热插入动作却也经常是造成电子系统工作异常、甚至造成USB端口组件毁坏的元凶，因为如静电放电(ESD)等瞬时噪声就是来自这个热插入动作。

要用在USB3.1端口的ESD防护组件必须同时符合下面三项要求：第一、ESD防护组件本身的寄生电容必须要小，为不影响USB3.110Gbps的传输速率，其寄生电容必须小于0.3pF。第二、防护组件对ESD的耐受能力必须要高，最少要能承受IEC61000-4-2接触模式8kVESD的轰击。第三、也是最重要的一项要求，防护组件在ESD事件发生期间所提供的箝制电压必须要够低，不能造成传输数据的损坏。以上三项要求缺一不可，缺少了任何一个要项，USB3.1端口就无法被完善地保护。然而要同时符合以上三项要求的ESD防护组件，其本身的设计难度就相当高。

晶焱科技拥有先进的ESD防护设计技术，特别针对USB3.1的防护需求，推出AZ1365系列的ESD防护组件。为避免防护组件的寄生电容影响USB3.110Gbps差动(Differential)讯号的高速传输，AZ1365的寄生电容已低于0.3pF。在极低的电容特性下，任一接脚在室温时仍皆可承受IEC61000-4-2接触模式10kVESD的轰击。最重要是，以相同寄生电容来比较，AZ1365拥有最低的ESD箝制电压，可有效防止数据传输时被ESD事件所干扰，才能让拥有USB3.1端口的电子系统有机会通过Class-A的IEC61000-4-2系统级静电放电保护测试。利用传输线脉冲系统(TLP)测量AZ1365后，可以观察到如图一的ESD箝制电压特性。在IEC61000-4-2接触模式6kV的ESD冲击下(TLP电流等效约为17A)，箝制电压仅有8V，将得以有效避免系统产品于静电测试时发生数据错误、当机甚至损坏的情况。

附图一AZ1365-06F的ESD箝制电压测试曲线

在电子产品的USB3.1应用中，AZ1365-06F将是静电放电防护的最佳解决方案。图二所示即为装有ESD防护组件AZ1365-06F的USB3.1端口顺利通过10Gbps的EyeDiagram测试结果。

附图二AZ1365-06F10Gbps的EyeDiagram测试结果

在电子产品朝向轻薄短小的发展趋势下，产品的印刷电路板(PCB)也随之越来越小，但在产品功能强大的要求之下，线路也变得更加复杂，因此PCB的面积已变得寸土寸金，造成产品设计时相当大的困扰。AZ1365系列产品提供六个极低电容的接脚，可同时保护USB3.1的两组差动对(TXandRX)及USB2.0的差动对(D+andD-)，具有缩小PCB面积与降低布局(Layout)复杂度等优点，可节省系统成本。更特别的是AZ1365-06F首先采用交错型式的接脚，以提供PCBLayout时可利用穿透式(Feedthrough)的设计，图三即为AZ1365-06F的接线方式。此种首创的组件接脚方式将可免除绕线时的诸多困扰，不但对缩短产品设计时间的PCBLayout工作有相当大的帮助，同时差动讯号线的Layout也将更为对称，减少讯号传输错误的机会。

附图三以AZ1365-06F作为USB3.1ESD防护，线路可利用穿透式Layout达成