Thunderbolt英特尔发表的连接器标准,目的在于当作计算机与其他装置之间的通用总线,第一代与 第二代接口是与Mini Display Port整合,较新的第三代在2015年于台北国际计算机展上发表了Thunderbolt 3,连接器由原本的Mini Display Port更换为 USB Type C。 USB Type C是目前各式电子产品中使用最广泛的接口。 也因为它的应用是如此的广泛,用户对它的使用需求相对的就会要求越来越多。
Thunderbolt 3是超高速的传输接口,可以提供40Gbit/s 的传输速度,将可以满足对传输速度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。 为实现如此高速的传输速度,Thunderbolt 3控制芯片必须使用先进的半导体制程技术,但也造成Thunderbolt 3控制芯片对ESD的耐受能力快速下降。
目前Thunderbolt 3是建构在USB Type C的实体接口上,此接口除了可以将传输速率提高到40Gbit/s,而且还可快速充电,最大供电为 100W。 而由于Thunderbolt3是超高速的传输接口,在系统上是外露给用户可以插拔的接口,用户最普遍的应用就是即插即用、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 Type C控制器件毁坏的元凶,因为如静电放电(ESD)等瞬时噪声就是来自这个热插入动作。 因为在热插入中,由于接口端的讯号线已经带电,本身就是个带电的电缆在接触系统时,形成放电动作。 这种现象等同于静电放电效应会对系统产生严重破坏,我们一般称这种现象为直接放电。 目前在系统的静电放电测试上,越来越多的厂商要求以Direct-Pin Injection方式测试产品,以此来仿真系统在客户端使用时所遭受到ESD事件。
除了原先必须通过IEC61000-4-2的规范外,有部份品牌厂商甚至规范其产品的USB Type C连接器需以Direct-Pin Injection方式测试必须通过(8kV的ESD轰击,并且系统必须在不受任何影响之下通过测试。 因此使用ESD保护器件于USB Type C接口来防止ESD事件对数据传输的干扰是绝对需要的。 图一为Direct-Pin Injection测试设置。
图一: ESD Direct-Pin Injection测试设置
另外由于电子产品已迅速深入全球各个角落,但许多偏远地区因基础建设不佳,或是气候极端的地方,电子产品遭受EOS(Electrical Over stress)突波的机率大大提高,所导致反修率也随之提升。 EOS通常产生于电源干扰(AC/DC)、电源噪声或热插入等事件,而目前EOS测试的标准主要是采用IEC61000-4-5的规范,测试电压波形为1.2/50uS和电流波形为8/20uS,部分品牌厂除了制定内规的ESD Direct-Pin Injection方式测试外,还会额外增加EOS Direct-Pin Injection方式测试。 图二为EOS Direct-Pin Injection测试设置。
图二为EOS Direct-Pin Injection测试设置
对于Thunderbolt 3的高速接口而言,在选择ESD/EOS保护组件时必须考虑到:
1. 为确保Thunderbolt 3高速讯号传输时的讯号完整性,所以选择ESD保护器件时,须选择其寄生电容较低的ESD保护器件, 建议寄生电容低于0.2pF。 2. 防护器件对ESD的耐受能力必须要高,最少要能承受IEC 61000-4-2接触模式8kV ESD的轰击。 ESD Clamping voltage最重要的参考参数, ESD保护器件若要能对系统提供有效保护,除了防护器件本身要能承受够高的ESD轰击外,还需要考虑箝制电压是否够低, 使得ESD的能量能被箝制在更低的电压以防止系统内部电路受到损毁。 因此箝制电压是判断ESD保护器件对于系统电路保护效能最重要的参数。
3. 此接口还可提供快速充电技术,分别可以支持三段电压5V/12V/20V,而有线充电由于热插入的方式会再电源在线产生频繁ESD/EOS问题,因此须在系统上采用更加完善的外部突波ESD/EOS保护方案设计。
晶焱科技拥有先进的ESD防护设计技术,特别针对Thunderbolt 3的防护需求,推出AZ5B8S-01F的ESD防护器件。 为避免防护器件的寄生电容影响Thunderbolt3差动讯号的高速传输,AZ5B8S-01F的寄生电容已低于0.2pF,能够顺利通过40Gbit/s的Eye Diagram测试,图三为AZ5B8S-01F 40Gbit/ s的Eye Diagram测试结果。
图三为AZ5B8S-01F 40Gbit/ s的Eye Diagram测试结果
最重要的,AZ5B8S-01F产品拥有极低的ESD箝制电压,能够有效地协助Thunderbolt 3接口通过以Direct-Pin Injection方式的(8kV静电放电轰击。 图四为利用TLP量测AZ5B8S-01F产品的电流对电压曲线。 在IEC 61000-4-2接触模式8kV的ESD冲击下(等效TLP电流约为16A),箝制电压仅有5.5V,能有效避免系统产品于ESD测试时发生数据错误、当机甚至损坏的情况。
图四 AZ5B8S-01F的ESD箝制电压特性曲线
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。 AZ5B8S-01F产品采用超小型DFN0603P2Y 封装,尺寸仅 0.6mm x 0.3mm,高度仅 0.3mm,主要保护Thunderbolt 3的4组差动对(TX和RX), 另外只需使用一颗AZ1045-08F就可保护其余的讯号线(D+/D-/CC/SBU), 特别的是AZ1045-08F采用交错型式的接脚,以提供PCB Layout时可利用穿透式(Feed through)的设计, 可免除布线时的诸多困扰,不但对缩短产品设计时间的PCB Layout工作有相当大的帮助外,还可以缩小PCB面积来达到节省系统成本。 此接口还可提供快速充电,在电源端需在选用一颗ESD防护器件,依设计的电压来选用合适的ESD防护器件(AZ3105-01F/AZ4512-01F/AZ4520-01F)来保护,此时就可以完整地保护此接口不受ESD/EOS的威胁 ,图五即为完整的Thunderbolt 3接口的ESD/EOS解决方案保护线路。
图五 Thunderbolt 3接口的ESD/EOS解决方案保护线路