面向USB3.0的高效靜電防護(hù)解決方案兼具完美的信號(hào)完整性HFSS仿真

2016-10-12 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

1. USB 接口演進(jìn)歷史

1996 年,眾所周之的通用串行接口(USB)初次問世。當(dāng)時(shí),版本 1.0 的 USB 接口僅可在低速(LS)模式和全速(FS)模式下,分別提供 1.5 Mb/s 和 12 Mb/s 的速率。 2000 年, USB2.0 面市。新的高速(HS)模式可提供高達(dá) 480 Mb/s 的速率,并且依然向下兼容低速模式和全速模式。

2. USB3.0 系統(tǒng)概述

2008 年 11 月, USB3.0 技術(shù)規(guī)范發(fā)布。 USB3.0 不僅包含了 USB2.0 的全部功能(HS、 FS 和LS),而且提供了名為超高速度(SuperSpeed)的單獨(dú)的全新超高速數(shù)據(jù)鏈路。超高速度鏈路為下載(主機(jī)=>器件,被稱為發(fā)送方向)和接收方向上的上傳(器件=>主機(jī))提供了單獨(dú)的差分?jǐn)?shù)據(jù)線路。超高速度模式可提供的最高數(shù)據(jù)率為 5 Gb/s(請參閱圖 1 )。

圖 1 USB3.0 超高速度模式和 USB2.0 模式物理鏈路(在主機(jī)側(cè)和器件側(cè)實(shí)現(xiàn)了靜電防護(hù))

要同時(shí)支持 USB2.0 功能和新的超高速度模式,電纜必須采用新的結(jié)構(gòu),以提供三條差分耦合信號(hào)線(TX+/Tx-、 RX+/Rx-和 D+/D-)。 Vcc 線和接地線也是電纜中不可或缺的組成部分。這種低成本 USB3.0 電纜面臨的挑戰(zhàn)是,支持很高的截止頻率,而不會(huì)在相鄰的差分耦合線對之間形成干擾。(請參閱圖 2)

圖 2 USB3.0 電纜結(jié)構(gòu)和電纜衰減(差分模式)

為了支持 USB3.0 電纜所包含的全部線路,必須強(qiáng)制規(guī)定采用一種新的連接器形狀。新的 USB3.0 連接器的基本要求是,必須向下兼容 USB2.0 連接器。從靜電防護(hù)的角度而言,這導(dǎo)致標(biāo)準(zhǔn) A連接器的超高速度模式線路很容易被靜電擊中(在主機(jī)側(cè)和器件側(cè))。一種強(qiáng)有力的對策是在USB3.0 鏈路中實(shí)現(xiàn)高效的靜電防護(hù)機(jī)制。

超高速數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)面臨的一個(gè)最為嚴(yán)峻的問題是,確保在接收端實(shí)現(xiàn)一定程度的信號(hào)完整性。高信號(hào)完整性對實(shí)現(xiàn)很低的誤碼率非常重要(譬如,對于 USB3.0 超級速度模式,典型誤碼率為 1E-12)。眼圖表明了信號(hào)完整性的特性。

在擁有無限帶寬的完美系統(tǒng)中,眼圖完全張開。而在實(shí)際的系統(tǒng)中,發(fā)送和接收阻抗(90歐姆差分阻抗)以及發(fā)送端和接收端的所有寄生電容,限制了信號(hào)的上升時(shí)間/下降時(shí)間。這些寄生電容存在于USB3.0收發(fā)器內(nèi)部,和/或PCB外部。不匹配的PCB線路、USB3.0連接器或其他并聯(lián)電容器等,均會(huì)造成外部寄生電容。因此,這些額外的并聯(lián)電容器必須盡可能小。還必須考慮到USB3.0電纜的低通頻率響應(yīng)(請參閱圖2)。為了抵消高頻信號(hào)的衰減,可在發(fā)送端和接收端利用專用均衡器來調(diào)整信號(hào)。

這些措施均有助于加快處于上升和下降邊緣的信號(hào)的速度,從而得到張得更開的眼圖(即,更高信號(hào)完整性)(請參閱圖 3)。

要實(shí)現(xiàn)適當(dāng)?shù)男盘?hào)完整性性能, TVS 二極管的電容必須很低,但另一方面, TVS 二極管必須提供很高的靜電防護(hù)能力。

圖 3 發(fā)送端信號(hào)還原( 3.5dB 標(biāo)準(zhǔn)參數(shù))和接收端線性均衡器(標(biāo)準(zhǔn)參數(shù))

圖4所示為整個(gè)USB3.0鏈路的眼圖模擬(誤碼率為1E6時(shí))。在圖4(左圖)中,接收信號(hào)是在未經(jīng)接收端均衡器處理之前測得的。在圖(右圖)中,信號(hào)是經(jīng)接收端均衡器處理之后測得的。紅色的內(nèi)輪廓線所示為用外推法得到的誤碼率為1E12時(shí)的眼圖張開程度。紅紫色輪廓線為USB3.0技術(shù)規(guī)范中規(guī)定的超高速度模式合規(guī)測試的有效值。比較兩個(gè)眼圖,在接收端使用均衡器的效果顯而易見。

圖 4 未經(jīng)接收端均衡器處理之前的信號(hào)眼圖(左圖)與經(jīng)接收端均衡器處理之后的信號(hào)眼圖(右圖)

超高速度鏈路和USB2.0傳輸鏈路采用了差分耦合90歐姆線路。鏈路內(nèi)部的阻抗不匹配造成的信號(hào)反射會(huì)降低信號(hào)完整性。為了避免出現(xiàn)這種情況,包括 USB3.0 電纜在內(nèi)的整個(gè)布局設(shè)計(jì),應(yīng)當(dāng)實(shí)現(xiàn) 90 歐姆差分阻抗匹配。

為了使“削弱斜率”盡可能小,并且提供相同的線路延遲時(shí)間,所有差分耦合線路均必須為相同的長度。對于USB3.0電纜本身,這一點(diǎn)尤為重要。

較高“削弱斜率”會(huì)降低信號(hào)完整性,從而導(dǎo)致所謂的“差模共模信號(hào)轉(zhuǎn)換”。所生產(chǎn)的共模信號(hào)會(huì)影響EMI測試的順利進(jìn)行。阻抗匹配的適當(dāng)布局設(shè)計(jì),能避免這些問題。

3. USB3.0 超高速度鏈路和 USB2.0 鏈路的靜電防護(hù)布局設(shè)計(jì)提議

在整個(gè) USB3.0 鏈路的布局設(shè)計(jì)中,應(yīng)考慮下列因素:

(1)所有 PCB 線路和互連電纜均強(qiáng)制要求采用完全阻抗匹配的 90 歐姆差分設(shè)計(jì)

(2)必須最大限度地減少非差分耦合線路。非差分耦合線路會(huì)嚴(yán)重影響眼圖內(nèi)眼張開程度

(3)90歐姆差分耦合PCB線路的線路寬度和線路間隔不應(yīng)太窄,以避免造成額外的損耗,并且這些線路應(yīng)當(dāng)足夠結(jié)實(shí),以便于生產(chǎn)。從生產(chǎn)的角度而言,差分線路的理想線路寬度為0.3毫米,線路間隔為0.2毫米。這會(huì)形成 200 微米的電介質(zhì)高度(假設(shè): FR4,且 er=4)

(4)差分耦合鏈路的正極和負(fù)極線路(包括USB3.0電纜)之間的延遲(線路長度)完全相同(最大限度地減小削弱斜率)。對于保持很高的信號(hào)完整性和避免生成共模信號(hào),這一點(diǎn)很重要。

圖 5 所示為兼具靜電防護(hù)電路的 USB3.0 標(biāo)準(zhǔn)A連接器橫截面布局設(shè)計(jì)示例。

圖 5 標(biāo)準(zhǔn) A 連接器+英飛凌靜電防護(hù)裝置 USB3.0 布局設(shè)計(jì)建議

4. 面向 USB3.0 的現(xiàn)代化靜電防護(hù)策略

一方面,持續(xù)不斷地減小芯片的各個(gè)組件的尺寸,是降低生產(chǎn)成本,擴(kuò)展工作頻率的根本。另一方面,這種微型化也產(chǎn)生了新的問題(如,容易發(fā)生靜電擊穿)。對提供可靠靜電防護(hù)機(jī)制的要求與日俱增。

USB3.0可提供最高5Gb/s的數(shù)據(jù)率,因此基本頻率高達(dá)2.5GHz。為了實(shí)現(xiàn)很高的信號(hào)完整性,數(shù)據(jù)信號(hào)的上升時(shí)間和下降時(shí)間必須非常短。第3諧波甚或第5諧波的處理,不應(yīng)發(fā)生明顯衰減。只能通過利用寄生效應(yīng)最小且半導(dǎo)體開關(guān)速度最快的技術(shù)尖端的半導(dǎo)體制程,才能實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。這種微型化半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)是,在靜電放電造成的過壓面前不堪一擊。采用內(nèi)置靜電防護(hù)裝置,會(huì)引起寄生效應(yīng)(寄生電容),并且要占用寶貴的片上空間。

一種十分經(jīng)濟(jì)高效的方法是,結(jié)合采用內(nèi)置靜電防護(hù)機(jī)制(集成到USB3.0收發(fā)器中),和專為提供外部靜電防護(hù)而量身定制的性能強(qiáng)健的高電流應(yīng)用電路(由器件/電路設(shè)計(jì)者在電路板上實(shí)現(xiàn))。

內(nèi)置靜電防護(hù)機(jī)制旨在僅提供器件級保護(hù),譬如,依照HBMJEDECJESD22-A115的規(guī)定。對于確保在開發(fā)、生產(chǎn)和電路板裝配過程中安全地拿放器件,內(nèi)置靜電防護(hù)機(jī)制起到了重要作用。專為該應(yīng)用量身定制的外部 TVS 二極管則實(shí)現(xiàn)了符合 IEC61000-4-2 標(biāo)準(zhǔn)的更加嚴(yán)格的系統(tǒng)級保護(hù)。

為了給 USB3.0 鏈路提供適當(dāng)?shù)南到y(tǒng)級靜電防護(hù),靜電防護(hù)器件(TVS 二極管)必須滿足不同的要求。可參照 IEC61000-4-2標(biāo)準(zhǔn),根據(jù)殘余箝位電壓以及 TVS 二極管對特定靜電放電的響應(yīng),判斷 TVS 二極管的靜電防護(hù)性能。

TVS 二極管的一些特性,會(huì)影響其靜電防護(hù)性能
? 最低導(dǎo)通電阻(R_on)(動(dòng)態(tài)電阻(R_dynamic))
? 最低擊穿電壓(V_breakdown),專為該應(yīng)用度身定制
根據(jù)經(jīng)驗(yàn),可以計(jì)算出箝位電壓(V_clamp):

可根據(jù)TLP(傳輸線路脈沖)測定值,推導(dǎo)出動(dòng)態(tài)電阻。(參見圖6)為確保應(yīng)用的安全,擊穿電壓必須與所保護(hù)的線路上施加的最高電源電壓和最高信號(hào)電平相一致。動(dòng)態(tài)電阻(R_dyn)應(yīng)當(dāng)盡可能小。結(jié)合最優(yōu)擊穿電壓和最低動(dòng)態(tài)電阻,可最大限度地減小 IC 上的殘余靜電放電應(yīng)力。

根據(jù) TLP 測定圖,可計(jì)算出動(dòng)態(tài)電阻(參見圖 6):

圖 6 專為給 USB3.0 超高速度鏈路提供靜電防護(hù)而量身定制的英飛凌 ESD3V3U4UL 的 TLP 測定結(jié)果

為了保護(hù)另外的USB2.0鏈路,TVS二極管必須提供稍高一些的反向工作電壓/擊穿電壓。要支持全速模式和低速模式,必須提供更高的擊穿電壓,從而形成最高+5V 左右的信號(hào)振幅。英飛凌 ESD5V3U1U 和ESD5V3U2U系列可提供最低5.3V的反向工作電壓(擊穿電壓:最低6V)和0.4pF的典型二極管電容值。

5. 實(shí)現(xiàn)了靜電防護(hù)的 USB3.0 超高速度鏈路的信號(hào)完整性

分別在實(shí)現(xiàn)了靜電防護(hù)和未實(shí)現(xiàn)靜電防護(hù)的情況下,對整個(gè) USB3.0 超級速度鏈路執(zhí)行了信號(hào)完整性模擬。(參見圖 1 )

整個(gè)收發(fā)區(qū)具備 90 歐姆差分阻抗?？紤]了發(fā)送端和接收端的寄生效應(yīng)。測得數(shù)據(jù)表明了 USB3.0 電纜的狀態(tài)。規(guī)定 USB3.0 電纜的最大長度為 3 米。

為了給USB3.0超高速度鏈路提供靜電防護(hù),在主機(jī)側(cè)和器件側(cè)均配置了英飛凌ESD3V3U4ULC。ESD3V3U4ULC具備卓越的靜電防護(hù)性能,并且二極管電容(二極管對地)極低,典型值為 0.5pF。在模擬中,考慮了 USB3.0 超高速度鏈路的基本布局設(shè)計(jì)規(guī)則。(參見圖 5)

在對整條USB3.0超高速度鏈路執(zhí)行的信號(hào)完整性模擬中,按照USB3.0合規(guī)測試標(biāo)準(zhǔn)參數(shù),實(shí)現(xiàn)了發(fā)送端信號(hào)還原和接收端均衡處理。分析了經(jīng)接收端均衡器處理之后的超高速度信號(hào)的眼圖。模擬所用誤碼率為 1E6。根據(jù)模擬結(jié)果,推導(dǎo)出誤碼率為 1E12 時(shí)的眼圖張開程度(紅色和藍(lán)色輪廓線)。

分別在未配備 TVS 二極管(紅色輪廓線)和配備了 TVS 二極管(ESD3V3U4ULC,藍(lán)色輪廓線)的情況下,計(jì)算出眼圖的張開程度。(參見圖 7)

圖 7 在主機(jī)側(cè)和器件側(cè)配置和未配置 ESD3V3U4ULC 時(shí)的眼圖

在主機(jī)側(cè)和器件側(cè)實(shí)現(xiàn)超低電容 TVS 二極管 ESD3V3U4ULC,眼圖張開程度(輪廓線)會(huì)受到一定影響。雖然眼圖張開程度會(huì)略微減小,但相比于 USB3.0 技術(shù)規(guī)范中規(guī)定的基準(zhǔn)模式(紅紫色輪廓線)而言,仍大出許多。

浴缸狀曲線模擬詳盡地表明了TVS二極管的作用。黑色刻度線所示為USB3.0技術(shù)規(guī)范中規(guī)定的誤碼率為10E12時(shí),眼圖基準(zhǔn)模式的電壓和時(shí)間(皮秒)參數(shù)。紅色曲線為未配備 TVS 二極管時(shí)計(jì)算所得, 藍(lán)色曲線為在主機(jī)側(cè)和器件側(cè)配置了 ESD3V3U4ULC 時(shí)計(jì)算所得。

圖 8 配備/未配備 TVS 二極管時(shí)的電壓和時(shí)間浴缸狀曲線模擬

6 結(jié)語:

精心設(shè)計(jì)USB3.0鏈路以實(shí)現(xiàn)最優(yōu)系統(tǒng)級靜電防護(hù)性能和毫厘不差的信號(hào)完整性,是一個(gè)強(qiáng)制性要求。要同時(shí)滿足這兩個(gè)要求,靜電防護(hù)器件必須具備卓越的靜電防護(hù)性能和很低的器件電容。采用“陣列”配置的英飛凌ESD3V3U4ULC,加上清楚明了的布局設(shè)計(jì)和高質(zhì)量鏈路(USB3.0電纜),便能滿足上述要求。

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