應用於USB3.0介面的ESD防護方案
- 劉一婷
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隨著晶片大廠英特爾2012年推出Ivy Bridge新平台，晶片組支援USB 3.0，確認USB 3.0成為主流規格，預計在新的作業系統Windows 8發酵下，將促成USB 3.0快速地普及化。USB 3.0的資料傳輸速度達到5Gbps，比USB 2.0快上十倍。為實現如此高速的傳輸速度，USB 3.0控制晶片必須使用最先進的半導體製程技術，所使用的元件閘極氧化層很薄且接面很淺，造成USB 3.0的控制晶片對ESD的耐受能力快速下降。
另一個問題在於使用者最普遍的USB應用就是隨插即用、隨拔即關，然而這個熱插拔(Hot Plug)動作卻也經常是造成電子系統工作異常，甚至造成USB控制晶片毀壞的元兇。因為在熱插拔中，由於接口端的訊號線已經帶電，本身就像是個帶電的大電容會在接觸系統時作放電動作。這種現象等同於靜電放電效應，會對系統產生嚴重破壞，我們一般稱這種現象為直接放電(Direct Injection)。
目前在系統的靜電放電測試上，越來越多的廠商要求以Direct-Pin Injection方式測試產品，以此來模擬系統在用戶端使用時遭受到ESD事件的狀況。部分系統廠商甚至規範其產品的USB 3.0連接埠以Direct-Pin Injection方式測試必須通過±8kV的ESD轟擊，並且系統必須在不受任何影響之下通過測試。因此，使用額外的ESD保護元件於USB 3.0介面來防止ESD事件對資料傳輸的干擾，是絕對需要的。
對於USB 3.0的高速介面而言，在選擇ESD保護元件時必須考慮到以下幾個要點。
1. ESD保護元件若要能對系統提供有效保護，除了本身要能承受夠高的ESD轟擊外，還需要考慮箝制電壓(Clamping Voltage)是否足夠低，使得ESD的能量能被箝制在更低的電壓以防止系統內部電路受到損毀。因此箝制電壓是判斷ESD保護元件對於系統電路保護效能最重要的參數。
2. 為確保USB 3.0高速訊號傳輸時不會受到影響以及訊號的完整性，所以選擇ESD保護元件時，必須選擇其寄生電容越低越好，建議選擇寄生電容必須低於0.3pF。
3. 在電子產品朝向輕薄短小的發展趨勢下，產品使用的印刷電路板面積已變得寸土寸金。針對USB 3.0介面，使用單顆多通道的ESD保護元件為目前最經濟有效的選擇。
晶焱科技擁有先進的ESD防護設計技術，特別針對USB 3.0的防護需求，推出AZ1065系列的ESD保護元件。為避免保護元件的寄生電容影響USB 3.0的高速傳輸，AZ1065系列產品的寄生電容低於0.3pF，能夠順利通過5Gbps的Eye Diagram測試。
最重要的，AZ1065系列產品擁有最低的ESD箝制電壓，能夠有效地協助USB 3.0介面通過以Direct-Pin Injection方式的±8kV靜電放電轟擊。圖一為利用傳輸線脈衝產生系統(TLP)量測AZ1065系列產品的電流對電壓曲線。在IEC 61000-4-2接觸模式6kV的ESD衝擊下(等效TLP電流約為17A)，箝制電壓僅有13V，能有效避免系統產品於ESD測試時發生資料錯誤、當機甚至損壞的情況。
此外，AZ1065系列產品提供了6個極低電容的接腳，可同時保護USB 3.0的兩組差動對(TX和RX)與USB 2.0的差動對(D+和D-)，以及電源端VBUS的保護，具有縮小印刷電路板面積與降低布局(Layout)複雜度等優點，可節省系統成本。更特別的是其DFN-10的封裝並且採用交錯型式的接腳，提供印刷電路板布局時可利用穿透式(Feed through)的設計，如圖二所示。因此，AZ1065系列產品為目前USB 3.0的最佳ESD解決方案。 (本圖文由晶焱科技設計研發部林昆賢經理提供，劉一婷整理)。
