選擇面向USB4數(shù)據(jù)線的ESD保護(hù)

USB4?利用USB Type-C?電纜提供的所有發(fā)送(Tx)和接收(Rx)線路，可以達(dá)到最高40 Gbps的數(shù)據(jù)速率。這意味著每個(gè)差分線對為20 Gbps，相當(dāng)于每個(gè)差分線對的信號基頻為10 GHz。雖然以前ESD保護(hù)器件的射頻性能是通過觀察其電容來進(jìn)行比較的，但這種方法在10 GHz左右已達(dá)到了極限。因?yàn)镋SD保護(hù)器件的電容和固有電感能夠有效地形成帶阻濾波器。

從ESD保護(hù)器件的結(jié)構(gòu)來看，其寄生元件可分為電容（主要貢獻(xiàn)來自于保護(hù)二極管）、電感（主要貢獻(xiàn)來自于封裝鍵合線）和電阻。

為了強(qiáng)調(diào)保護(hù)器件電感的重要性，Nexperia比較了測得的焊線ESD保護(hù)器件插入損耗行為（實(shí)線）與理想電容C（與受測量的器件一樣在10 GHz頻率下）的計(jì)算插入損耗曲線（虛線）。由于焊線電感的原因，10 GHz頻率下的偏差比較明顯。

顯然，電容本身并不能說明器件在10 GHz或更高頻率下的行為。我們可清晰地觀察到保護(hù)器件的帶阻諧振頻率。在GHz范圍內(nèi)的頻率下，應(yīng)使用散射參數(shù)而非電容來評估ESD保護(hù)器件的射頻適用性。

理想無電感電容的計(jì)算插入損耗（虛線）與10 GHz頻率下電容相同的焊線器件測量插入損耗（實(shí)線）的比較。

因此，ESD保護(hù)器件針對USB4數(shù)據(jù)速率的適用性應(yīng)該通過散射參數(shù)來評定，尤其是通過|S21|（插入損耗或αIL）和|S11|（回波損耗或αRL）來描述由于ESD保護(hù)器件造成的額外信號衰減和反射。需要注意的是，散射參數(shù)是在50歐姆單端系統(tǒng)（100歐姆差分）上測得的，因?yàn)檫@是測量設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)，而USB4數(shù)據(jù)線通常具有90-80歐姆差分（45-40歐姆單端）的線路阻抗。

封裝設(shè)計(jì)如何支持ESD保護(hù)的射頻性能

因此，與電容相同但電感更高的ESD保護(hù)器件相比，電感更低的ESD保護(hù)器件具有更出色的射頻性能。首先，更低的對地電感使ESD保護(hù)器件能夠更快速地反應(yīng)，從而降低ESD脈沖等快速瞬變的鉗位。出于這兩種原因，高速數(shù)據(jù)線的ESD保護(hù)首選無鍵合線單片硅封裝。窄焊盤封裝支持低回波損耗的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

封裝設(shè)計(jì)如何支持ESD保護(hù)的射頻性能

關(guān)于主機(jī)/器件插入損耗預(yù)算的概述如下所示。USB4第2代(10 Gbps)的主機(jī)/器件預(yù)算比USB4第3代(20 Gbps)要小，因此可對長達(dá)2m的線纜投入更大預(yù)算。

雖然選擇插入損耗和回波損耗盡可能小的ESD保護(hù)器件看似是可取的，且Nexperia可在10 GHz頻率下實(shí)現(xiàn)低至-0.19 dB的插入損耗和-23.5 dB的回波損耗，但射頻性能和鉗位性能應(yīng)實(shí)現(xiàn)平衡：就同一技術(shù)而言，提高射頻性能會(huì)降低鉗位性能。還會(huì)降低ESD保護(hù)器件的魯棒性，但對于高數(shù)據(jù)速率的收發(fā)器IC，我們在實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，在ESD保護(hù)器件由于ESD過壓而損壞之前，該收發(fā)器IC通常已經(jīng)因?yàn)槭Ｓ嗟你Q位而損壞。

Nexperia剛剛發(fā)布了一款針對高速數(shù)據(jù)線優(yōu)化的新產(chǎn)品系列，該系列具有如下射頻性能：

相對于交流耦合電容放置ESD保護(hù)器件

另一個(gè)重要的選擇是ESD保護(hù)器件的位置。USB 3.2在Rx輸入之前采用了一個(gè)可選交流耦合電容，而該電容則成為USB4?的強(qiáng)制要求。 這樣一來，ESD保護(hù)器件就只能放置在連接器與連接器正后方的交流耦合電容之間（位置1）或交流耦合電容與收發(fā)器之間（位置2）。

相對于USB4 Rx交流耦合電容的兩個(gè)ESD保護(hù)器件位置選項(xiàng)

從系統(tǒng)級ESD保護(hù)的角度來看，位置1顯然是首選位置，原因有兩個(gè)。首先，在該位置可以對交流耦合電容器提供ESD瞬變保護(hù)。其次，為實(shí)現(xiàn)最有效的ESD保護(hù)，建議在ESD保護(hù)器件和收發(fā)器IC之間設(shè)置盡可能多的線路電感。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，10 mm的附加走線意味著大約3-3.5 nH電感。 為了直觀地看到這種效果，我們比較了兩個(gè)電磁干擾(EMI)掃描儀的測量結(jié)果，在此過程中，我們使用了帶有兩個(gè)ESD保護(hù)管腳尺寸的USB3板來比較同一ESD保護(hù)器件在這兩個(gè)位置的效率。結(jié)果表明，連接器正后方的保護(hù)位置可顯著降低收發(fā)器IC的電場強(qiáng)度。

使用EMI掃描儀比較兩塊板發(fā)射的EMI

信號引腳通過TLP脈沖激發(fā)，而EMI電場強(qiáng)度則采用二維形式記錄。左側(cè)板的ESD保護(hù)器件安裝在連接器與收發(fā)器IC之間的中間位置，而右側(cè)板的ESD保護(hù)器件則安裝在連接器正后方的首選位置。這降低了系統(tǒng)中的EMI電場強(qiáng)度，尤其是顯著降低了收發(fā)器IC上的電場強(qiáng)度。

ESD保護(hù)器件的位置對保護(hù)器件所需的額定電壓具有直接影響。USB Type-C?連接器允許連接使用USB3.x標(biāo)準(zhǔn)的器件，而該標(biāo)準(zhǔn)允許的最高電壓為2.8 V。如果ESD保護(hù)器件在位置1（連接器的正后方），則位置1處使用的ESD保護(hù)器件應(yīng)具有高于2.8 V的VRWM額定電壓，正如我們在之前的白皮書中討論的那樣。

綜上所述，USB4是提高最常用接口數(shù)據(jù)傳輸速度路線圖的下一階段。ESD保護(hù)器件能夠以較低的插入損耗和回波損耗支持達(dá)到這些數(shù)據(jù)速率。在10 GHz頻率范圍內(nèi)，保護(hù)器件的低電感開始變得與低電容一樣重要。當(dāng)將保護(hù)器件安裝在連接器的正后方，以充分利用固有的信號線路電感，保護(hù)交流耦合電容時(shí)，就可以實(shí)現(xiàn)最出色的系統(tǒng)級ESD性能。在這個(gè)位置，保護(hù)器件的VRWM額定電壓需大于2.8 V，因?yàn)閁SB Type-C?允許將USB3.x接口連接至USB4TM接口，而USB3.x接口規(guī)格允許的最高電壓為2.8 V。

審核編輯：郭婷