USB Type-C連接器于2014年底面世，一經(jīng)推出便得到廣泛應(yīng)用，并已成為連接各類電子設(shè)備與外圍設(shè)備的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。除對(duì)稱結(jié)構(gòu)帶來(lái)的明顯優(yōu)勢(shì)外，相較于早期USB接口，它還具備其他優(yōu)點(diǎn)，包括能夠?qū)崿F(xiàn)非常高的數(shù)據(jù)傳輸速率（高達(dá)80 Gbps Tx和80 Gbps Rx），并可通過(guò)單個(gè)端口提供高達(dá)240 W的功率。在本白皮書中，Nexperia探討了在交流耦合超高速數(shù)據(jù)線中，將高電壓ESD保護(hù)二極管置于位置A，或?qū)⒌碗妷篍SD保護(hù)二極管置于位置B，哪種布局可提供更有效的短路保護(hù)。

△ 圖1 USB Type-C接口的引腳分配

盡管USB PD規(guī)范包含多種安全機(jī)制1，但USB設(shè)計(jì)人員仍面臨一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題：如何在VBUS電源線因使用不合規(guī)連接器或系統(tǒng)而與數(shù)據(jù)線發(fā)生電接觸時(shí)，確保接口得到有效保護(hù)。最新USB 4標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定超高速線對(duì)必須采用交流耦合方式，增加了提供充分保護(hù)的設(shè)計(jì)復(fù)雜性。圖1所示為USB Type-C連接器的引腳排列。

圖2顯示了在交流耦合的超高速線路中，ESD保護(hù)二極管的兩種放置位置：一種靠近連接器端（位置A），另一種位于交流耦合電容與受保護(hù)收發(fā)器IC之間（位置B）。

△ 圖2 超高速數(shù)據(jù)線中ESD保護(hù)二極管的兩種放置選項(xiàng)

研究ESD應(yīng)力對(duì)交流耦合電容的影響

初步研究主要分析ESD應(yīng)力對(duì)交流耦合電容的影響，因?yàn)樵谖恢肂放置保護(hù)二極管會(huì)導(dǎo)致這些電容在ESD事件中失去保護(hù)。

Nexperia設(shè)計(jì)中常用的多種0402’’交流耦合電容2在承受持續(xù)時(shí)間為100 ns、上升時(shí)間為1 ns (1/100 ns)的傳輸線脈沖(TLP)測(cè)試時(shí)，均展現(xiàn)出良好的ESD魯棒性。測(cè)試結(jié)果顯示，330 nF電容器在高達(dá)約60 A的TLP沖擊下未出現(xiàn)損壞跡象，而220 nF電容器在高達(dá)約55 A TLP下也未出現(xiàn)損壞（分別相當(dāng)于IEC 61000-4-2標(biāo)準(zhǔn)約30 kV和27 kV的脈沖水平）。

同時(shí)，還測(cè)試了兩家制造商提供的25 V額定電壓、220 nF 0201’’交流耦合電容。測(cè)試結(jié)果如圖4所示。首先，在對(duì)新器件進(jìn)行五次1/100 ns TLP脈沖測(cè)試（最高22 A，低于其魯棒性閾值）之前，先測(cè)定了其魯棒性極限（藍(lán)色曲線）。此器件在這些測(cè)試過(guò)程中未顯示出任何退化。同樣，對(duì)于來(lái)自第二家制造商的魯棒性更強(qiáng)的電容器（圖4），在五次高達(dá)25 A的1/100 ns TLP脈沖下，也未觀察到任何器件退化跡象。

△ 圖3 魯棒性較低的0201’’耦合電容的測(cè)試結(jié)果

△ 圖4 魯棒性較高的0201’’耦合電容的測(cè)試結(jié)果

隨后，采用持續(xù)時(shí)間為5 ns、上升時(shí)間為600 ps (0.6/5 ns)且電流高達(dá)120 A的超快TLP (vfTLP)對(duì)兩家制造商提供的電容器樣品進(jìn)行了進(jìn)一步測(cè)試（圖5），結(jié)果同樣未發(fā)現(xiàn)任何器件退化跡象。

△ 圖5 采用0.6/5 ns且電流高達(dá)120 A的超快TLP對(duì)兩個(gè)額定電壓為25 V的220 nF 0201’’ 電容進(jìn)行測(cè)試

研究表明，交流耦合電容在高達(dá)120 A、0.6/5 ns的超快TLP下仍具有良好的魯棒性，因此可以推斷：ESD脈沖引發(fā)的退化現(xiàn)象的 根源在于能量水平，而非峰值電壓。這使得22 A 1/100 ns的TLP 測(cè)試等同于11 kV的IEC 61000-4-2脈沖測(cè)試。換言之，所有被研究的交流耦合電容的魯棒性均超越了IEC 61000-4-2接觸放電的4級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。

測(cè)試期間，通過(guò)使用下拉電阻，避免了可能出現(xiàn)的電荷積聚。

研究ESD應(yīng)力對(duì)受保護(hù)IC的影響

Nexperia對(duì)若干用于超高速數(shù)據(jù)線的收發(fā)器IC（重定時(shí)器和重驅(qū)動(dòng)器器件）展開(kāi)了研究，發(fā)現(xiàn)它們的TLP特性與一個(gè)串聯(lián)著電阻的正向偏置二極管極為相似（圖6）。這表明這些IC的芯片內(nèi)部ESD保護(hù)電路在極低電壓（1 V至1.5 V之間）下就會(huì)導(dǎo)通。因此，所采用的外部ESD保護(hù)二極管必須具備較低的觸發(fā)電壓，以便在受保護(hù)IC受損前限制流入的ESD電流。

△ 圖6 典型USB超高速IC的1/100 TLP結(jié)果顯示，芯片內(nèi)部ESD保護(hù)電路在約1 V時(shí)會(huì)導(dǎo)通

△ 圖7 通過(guò)漏電流測(cè)量評(píng)估芯片內(nèi)部ESD保護(hù)電路是否受損

綜上所述，對(duì)多款超高速收發(fā)器IC的測(cè)試結(jié)果表明：

? 芯片內(nèi)部ESD保護(hù)電路通常在約1 V時(shí)導(dǎo)通

? 以上示例的芯片內(nèi)部ESD保護(hù)電路在2 A 1/100 ns TLP下受損

? 該IC的芯片內(nèi)部ESD保護(hù)電路在約5 A 0.6/5 ns vf-TLP脈沖下受損

導(dǎo)致?lián)p壞的vfTLP電流水平提高，這表明該IC對(duì)脈沖能量的敏感度高于對(duì)峰值鉗位電壓的敏感度。

上述IC對(duì)ESD保護(hù)后的殘余鉗位電壓仍較為敏感。Nexperia也對(duì)可承受高達(dá)6 A TLP的系統(tǒng)進(jìn)行了測(cè)試。但這些系統(tǒng)仍會(huì)在約1 V 電壓下開(kāi)始導(dǎo)通，并對(duì)瞬變電流進(jìn)行分流。為了評(píng)估此類系統(tǒng)在不同ESD保護(hù)策略下的表現(xiàn)，Nexperia采用高效的系統(tǒng)級(jí)ESD 設(shè)計(jì)(SEED)模擬結(jié)合測(cè)試板測(cè)量的方法，使用如下所示的測(cè)試裝置3，對(duì)比了將高電壓保護(hù)二極管置于位置A與將低電壓二極管置于位置B的效果。

△ 圖8 交流耦合超高速數(shù)據(jù)線的測(cè)試接口，從左到右依次為:連接器(未顯示)、位置A的ESD保護(hù)元件位置、下拉電阻、交流耦合電容、位置B的ESD保護(hù)元件位置、IC替代電路(電阻加二極管)

△ 圖9 額定電壓為1 V的ESD保護(hù)二極管(1-4)的TLP曲線比較(A)和峰值鉗位電壓比較(B)

四個(gè)額定電壓為1 V的不同ESD保護(hù)器件(1-4)放置在位置B處，兩個(gè)額定電壓為18-24 V的ESD保護(hù)器件(5-6)放置在位置A處。圖9為測(cè)試結(jié)果。虛線表示IC ESD保護(hù)模型的曲線。

△ 圖10 收發(fā)器IC所經(jīng)受的TLP電流(A)和峰值電壓(B)

器件5或許可以保護(hù)在器件觸發(fā)前能承受超過(guò)4 A TLP電流的收發(fā)器，但圖6和圖7中所示的IC則無(wú)法承受這種類型的脈沖。無(wú)論何種情況，與位置A相比，位置B處的所有四個(gè)保護(hù)器件對(duì)IC施加的總體瞬變電流應(yīng)力都要低得多。

這些結(jié)果表明，在位置B處使用低電壓保護(hù)二極管可實(shí)現(xiàn)更出色的系統(tǒng)級(jí)ESD保護(hù)，因?yàn)楸Ｗo(hù)器件在流經(jīng)IC的瞬變電流較低時(shí)便開(kāi)始對(duì)收發(fā)器實(shí)施保護(hù)。

交流耦合電容能否防范短路？

簡(jiǎn)而言之，交流耦合電容不能有效防范VBUS與超高速數(shù)據(jù)線之間發(fā)生短路帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)。詳細(xì)研究發(fā)現(xiàn)，在發(fā)生（或解除）短路時(shí)，瞬變電流能夠穿過(guò)交流耦合電容，使IC暴露于微秒級(jí)的浪涌脈沖之下。為開(kāi)展評(píng)估4，使用了一塊測(cè)試板，上面配備了如上述ESD測(cè)試中所描述的IC等效電路。

△ 圖11 (A)使用超高速線路元件和測(cè)試點(diǎn)的測(cè)試PCB。(B)在位置A處設(shè)有高壓ESD或沒(méi)有ESD保護(hù)的測(cè)量設(shè)置

短路是通過(guò)一個(gè)驅(qū)動(dòng)MOSFET的信號(hào)發(fā)生器來(lái)引發(fā)的，其上升持續(xù)時(shí)間約為50 ns（圖12）。

△ 圖12 短路驅(qū)動(dòng)電路

如圖13所示，施加此類短路會(huì)產(chǎn)生不同的波形。輸入端(U_input)信號(hào)上升至20 V，上升時(shí)間為數(shù)十納秒，而交流耦合電容 (U_ck)上的壓降上升時(shí)間則取決于電容值，符合預(yù)期。IC替代電路(U_IC)上的壓降持續(xù)時(shí)間同樣取決于電容值，兩者共同產(chǎn)生了一個(gè)持續(xù)時(shí)間約為1 μs的浪涌脈沖。

△ 圖13 施加在帶有220 nF或330 nF電容的交流耦合超高速線路上的20 V短路電壓波形

圖14顯示了當(dāng)超高速收發(fā)器IC在ESD保護(hù)二極管的保護(hù)下，受到此類短路影響時(shí)流入IC的電流隨時(shí)間的變化。

△ 圖14 對(duì)交流耦合電容施加20 V短路時(shí)，通過(guò)超高速IC替代電路的浪涌電流

結(jié)論

研究顯示，超高速USB接口中使用的交流耦合電容的ESD魯棒性超過(guò)了IEC61000-4-2 4級(jí)標(biāo)準(zhǔn)接觸放電的要求，表明它們不太會(huì)成為系統(tǒng)級(jí)保護(hù)中的薄弱環(huán)節(jié)。相比之下，受保護(hù)收發(fā)器IC更可能因不理想的ESD保護(hù)策略導(dǎo)致的高鉗位電壓而失效。

對(duì)比不同的保護(hù)策略發(fā)現(xiàn)，在位置A（距離IC較遠(yuǎn)的位置）放置高壓ESD二極管(>20 V)時(shí)，會(huì)在短路事件中產(chǎn)生較大且持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)的浪涌電流（例如，在20 V VBUS下約為7 A，持續(xù) 1 μs）。即便ESD保護(hù)器件本身未受損，但這種級(jí)別的應(yīng)力超過(guò)了多數(shù)IC能夠承受的范圍。

而在位置B（即位于交流耦合電容與收發(fā)器IC之間）使用低壓ESD二極管（約1 V），則能顯著降低因VBUS短路至交流耦合數(shù)據(jù)線所引發(fā)的浪涌事件電流的強(qiáng)度和持續(xù)時(shí)間。在我們的研究中，該方案在ESD和短路事件中均表現(xiàn)出更出色的保護(hù)性能。通過(guò)加入一個(gè)小的串聯(lián)電阻，可以進(jìn)一步降低瞬變電流，但需考慮其對(duì)射頻性能的潛在影響。

這種放置方式雖與傳統(tǒng)做法相沖突（傳統(tǒng)做法是通過(guò)增加IC與ESD器件的間距，利用走線寄生電感實(shí)現(xiàn)保護(hù)），但優(yōu)勢(shì)顯著，在位置B采用低壓器件的好處，遠(yuǎn)勝于位置A使用高壓保護(hù)器件時(shí)，依靠較長(zhǎng)走線所帶來(lái)的傳統(tǒng)優(yōu)勢(shì)。

我們建議，在可能發(fā)生VBUS短路的系統(tǒng)中，應(yīng)優(yōu)先在位置B使用低壓ESD二極管，以實(shí)現(xiàn)更可靠的保護(hù)。

隨著USB供電EPR支持高達(dá)48 V的VBUS電壓，確保有效的低壓保護(hù)變得愈發(fā)重要。

本文作者

Steffen Holland，Nils Duchow，Stefan Seider

Nexperia (安世半導(dǎo)體)

Nexperia（安世半導(dǎo)體）總部位于荷蘭，是一家在歐洲擁有豐富悠久發(fā)展歷史的全球性半導(dǎo)體公司，目前在歐洲、亞洲和美國(guó)共有12,500多名員工。作為基礎(chǔ)半導(dǎo)體器件開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)的領(lǐng)跑者，Nexperia（安世半導(dǎo)體）的器件被廣泛應(yīng)用于汽車、工業(yè)、移動(dòng)和消費(fèi)等多個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域，幾乎為世界上所有電子設(shè)計(jì)的基本功能提供支持。

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