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System-Level ESD Protection for USB 3.0 Interfaces2013/08/01

USB(ユニバーサル・シリアル・バス)は、電子製品のインターフェイスとして、現在最も多く利用されています。その応用範囲は広く、USBに対するユーザの要求はどんどん高まっています。中でも転送速度に対する要求は最も多く、USB1.1の12MbpsからUSB2.0は480Mbpsになり、最新のUSB3.0では4.8Gbpsになりました。転送速度以外で普遍的に求められているのは、差し込んですぐに使用でき、抜いたらすぐに終了するということです。しかし、この活線挿抜(ホット・プラグ・アンド・プレイ)は、電子システムの様々な異常を引き起こします。抜き差しの際に静電気放電(ESD)による過度なノイズが発生し、最悪の場合、電子部品を破壊する原因となります。

 

USB3.0はUSB2.0の10倍の転送速度を達成するため、そのコントロールICには先進的な設計および製造プロセスが必須です。しかし、このことにより、USB3.0コントロールICの耐静電気放電(ESD)能力は低下し、ESD保護部品の追加が必要になります。

 

USB3.0ポートのESDプロテクションには、3つの必須条件を同時に満たさなければなりません。

  1. USB3.0の転送速度4.8Gbpsを妨げないためには、ESDプロテクション部品のピン自体の寄生容量を0.3pF以下にしなければならない。
  2. ESD発生時に、ESDプロテクション部品自体がIEC6100-4-2規格のコンタクト・モードにおける8KVのESDダメージに耐えられなければならない。
  3. 最も重要なこととして、ESD発生中に転送データがダメージを受けないように、クランプ電圧を十分に低くする必要がある。 

 

以上の3項目は、一つも欠かすことはできません。一つでも欠けているとUSB3.0ポートを完全に保護することはできません。しかしながら、これら3つの条件を同時に満たすESDプロテクション部品の設計は非常に難易度の高いものです。アメージングは、先進的なESDプロテクション設計技術によって、USB3.0のESDプロテクションに特化した、AZ1065シリーズをリリースしました。AZ1065のピンの寄生容量は0.3pF以下で、USB3.0の4.8Gbpsデータ転送にまったく影響を及ぼしません。図1に示す通り、AZ1065 ESDプロテクションを搭載したUSB3.0ポートは、5GbpsのEye Diagramテストに合格しています。

 
また、AZ1065のすべてのピンは、それぞれIEC6100-4-2コンタクト・モードの10KV ESDダメージを受けても破損することはありません。さらに重要な事は、同じ寄生容量で比較した場合、AZ1065のESDクランプ電圧は最も低く、ESD発生時におけるデータ転送障害を効果的に防止します。このことから、AZ1065を装備したUSB3.0ポートは、Class-AのIEC6100-4-2静電気放電テストに合格する可能性があります。図2は、伝送回線パルスシステム(Transmission Line Pulsing System, TLP)におけるAZ1065のESDクランプ電圧を示しています。IEC6100-4-2コンタクト・モード6KVのESDダメージ下(TLP電流等級約17A)で、クランプ電圧はわずか13.4Vであることがわかります。
 
 
 
図1. Eye Diagram
 
 
 
図2. 伝送回線パルスシステム(Transmission Line Pulsing System, TLP)におけるAZ1065のESDクランプ電圧を示しています
 
 

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