根据经验,可以计算出箝位电压(V_clamp):

为确保应用的安全,压敏电压必须与所保护的线路上的最高电源电压和最高信号电平相一致。动态电阻(R_dyn)应当尽可能小。结合最优压敏电压和最低动态电阻,可最大限度地减小IC上的残留ESD应力。

可根据传输线路脉冲(TLP)测定值,推导出动态电阻(图5)。

USB3.0系统的ESD防护设计方案

图6:专为USB3.0超高速模式提供ESD防护而定制的英飞凌ESD3V3U4UL TVS二极管的TLP测定结果。

根据TLP测定图,可计算出动态电阻(图6):

为对USB3.0超高速链路提供静电防护,英飞凌专为该应用定制了一只动态电阻仅为0.3欧姆左右、最高反向工作电压为3.3V(压敏电压最低4V)的TVS二极管(ESD3V3U4ULC)。在测试中,16A的ESD冲击的箝位电压为11V,这在当今市场上的同类产品中堪称佼佼者。

备注:按照IEC61000-4-2标准,所用16A TLP测试脉冲非常适合8KV接触ESD冲击,在30ns点上提供了16A的ESD电流。

为保护另外的USB2.0链路,TVS二极管必须提供稍高一些的反向工作电压/压敏电压。为支持全速和低速模式,必须提供更高的压敏电压,从而形成最高+5V左右的信号振幅。英飞凌ESD5V3U1U和ESD5V3U2U系列可提供最低5.3V的反向工作电压(压敏电压最低6V),二极管电容典型值为0.4pF。

带ESD防护的USB3.0超高速链路的信号完整性

分别在带ESD防护和未带ESD防护的情况下,对图1所示的整个USB3.0超高速链路执行了信号完整性模拟。

整个收发部分具备90欧姆差分阻抗,考虑了发送侧和接收侧的寄生效应。测得数据表明了USB3.0电缆的状态。规定最长USB3.0电缆长度为3米。

为对USB3.0超高速链路提供ESD防护,在主机侧和设备侧均配置了英飞凌ESD3V3U4ULC。ESD3V3U4ULC具备卓越的ESD防护性能,并且二极管电容(二极管对地)极低,典型值为0.5pF。

在模拟中考虑了USB3.0超高速链路的基本布局布线设计规则(见图5)

在对整条USB3.0超高速链路执行的信号完整性模拟中,按照USB3.0一致性测试标准参数,实现了发送侧信号去加重和接收端均衡器,并分析了经接收端均衡器处理之后的超高速信号的眼图。模拟所用误码率为1E6。根据模拟结果,推导出误码率为1E12时的眼图张开程度(红色和蓝色轮廓线)。

分别在未带TVS二极管(红色轮廓线)和带有TVS二极管(ESD3V3U4ULC,蓝色轮廓线)的情况下,计算出眼图的张开程度(图7)。

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