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USB 4应用的 ESD/EOS 最佳解决方案

2020/12/09

        随着画质技术不断的提升,手机与相机的像素越来越高,硬盘的容量也越来越大,用户对数据传输的需求持续提升且对传输速度也有更高的要求。而USB-IF制订USB4的规格可以支持40Gbit/s 的传输速度,将可以满足用户对传输速度愈来愈快的需求。为实现如此高速的传输速度,USB4控制芯片必须使用先进的半导体制程技术,但也造成USB4控制芯片对静电放电(ESD)的耐受能力大幅下降。  

        USB4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USB PD供电最高还可以达到100W来实现快速充电。未来USB Type C接口将成为PC、笔记本电脑及平板、智能型手机…等消费性电子产品的主流接口。  

        与传统USB相同,USB4在系统上是外露给使用者随时可以插拔的接口,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控制组件损坏的元凶,因为这样的动作非常容易造成ESD等瞬时噪声问题。在热插入中,由于接口端的讯号线已经带电,这样的带电电缆在接触系统时, 将形成放电动作,这种现象等同于静电放电效应会对系统产生严重破坏,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(如图一所示),以此来模拟系统在客户端使用时最常遭受到的ESD问题。


图一: Direct-Pin Injection测试设置

图一: Direct-Pin Injection测试设置

        在ESD的系统测试要求方面,除了必须通过IEC61000-4-2的规范外,有部分品牌厂商还会规定其产品USB Type C连接器需以Direct-Pin Injection的测试方式通过±8kV的ESD测试。因此使用TVS管于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。


        另外由于电子产品已迅速深入全球各个角落,但许多地区因基础建设不佳或是经常遭遇极端气候,电子产品遭受EOS(Electrical Over Stress)突波的机率大大提高, 导致返修率也明显提升。目前的测试标准主要是采用IEC61000-4-5的国际规范来模拟电源干扰、电源噪声或热插入等造成的EOS事件。测波波型为电压1.2/50μs和电流8/20μs。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(如图二所示)。


图二为EOS Direct-Pin Injection测试设置

图二为EOS Direct-Pin Injection测试设置


对于USB4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USB4高速讯号传输时的讯号完整性,所以选择ESD保护组件时,须选择其寄生电容极低的ESD保护元件,建议寄生电容低于0.2pF。  

2. 保护元件对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。  

3. ESD Clamping voltage是最重要的参数, ESD保护元件若要对系统提供有效保护,最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干扰或损毁,此箝制电压是判断ESD保护元件对于系统电路保护效能最重要的参数。  

4. USB PD充电技术可以支持四段电压(5V/9V/15V/20V),频繁的热插入电源线将极易引发ESD/EOS问题,因此需在系统上采用更加完善的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USB4的需求推出AZ5B9S-01F。为避免保护元件的寄生电容影响USB4差分讯号的高速传输,AZ5B9S-01F的寄生电容已低于0.2pF,能够顺利通过40Gbit/s的Eye Diagram测试。最重要的是AZ5B9S-01F产品拥有极低的ESD箝制电压,能够有效地协助USB4接口通过Direct-Pin Injection±8kV的静电放电测试。图三为利用TLP量测AZ5B9S-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4.6V,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。


图三 AZ5B9S-01F的ESD箝制电压特性曲线

图三 AZ5B9S-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。AZ5B9S-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USB4的4组差分对(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,在电源端需再依设计的电压选用一颗合适的EOS组件(如: 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,图四即为完整的USB4接口的ESD/EOS解决方案保护线路。


图四 USB4接口的ESD/EOS解决方案保护线路

图四 USB4接口的ESD/EOS解决方案保护线路

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