基于USB3.0靜電放電防護的解決方案

在今年計算機硬件的熱門話題中，USB3.0絕對是最受矚目的。自從公元2000年USB2.0釋出后，這項應用已深植各項電子產品中，在各式各樣的端口規格中， USB應可算是使用最廣泛的了。USB3.0的數據傳輸速率比現有的USB2.0快上十倍，剛好迎合日益大增的高畫質、大容量儲存需求。無論是外接式硬盤、隨身碟、相機記憶卡均可大幅縮減儲存的時間。除了在計算機上的應用之外，手機與相機的傳輸也幾乎都是使用USB規格，甚至許多產品更直接把充電端與USB結合，難怪各界皆如此期待USB3.0的廣泛使用，好讓用戶享受4.8Gbps的傳輸快感。USB3.0接口分成主機（Host）端與裝置（Device）端，必須先有Host端的支持，周邊的Device端才能搭配；而芯片大廠英特爾及超威自2010年起亦已開始研發將支持USB3.0為南橋規格，加上微軟Windows 7也確定研發支持USB3.0的drivers，預估USB 3.0取代USB2.0已是既定趨勢。

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為實現十倍于USB2.0的傳輸速度，USB 3.0控制芯片必須使用更先進的制程來設計與制造，但這也造成USB 3.0的控制芯片對ESD的耐受能力快速下降。除此之外，USB 3.0會被大量用來傳輸影音數據，對數據傳輸容錯率會有越嚴格的要求，使得使用額外的保護組件來防止ESD事件對數據傳輸的干擾變得很必要。除了傳輸速度的要求之外，另一個用戶最普遍的USB應用就是即插即用、隨拔即關。然而這個熱插入動作卻也經常是造成電子系統工作異常、甚至造成USB端口組件毀壞的元兇，因為如靜電放電(ESD)等瞬時噪聲就是來自這個熱插入動作。

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要用在USB3.0端口的ESD防護組件必須同時符合下面三項要求：

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第一、ESD防護組件本身的寄生電容必須要小，為不影響USB3.0 4.8Gbps的傳輸速率，其寄生電容必須小于0.3pF。

第二、防護組件對ESD的耐受能力必須要高，最少要能承受IEC 61000-4-2接觸模式8kV ESD的轟擊。

第三、也是最重要的一項要求，防護組件在ESD事件發生期間所提供的箝制電壓必須要夠低，不能造成傳輸數據的損壞。

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以上三項要求缺一不可，缺少了任何一個要項，USB3.0端口就無法被完善地保護。然而要同時符合以上三項要求的ESD防護組件，其本身的設計難度就相當高。

晶焱科技擁有先進的ESD防護設計技術，特別針對USB3.0的防護需求，推出AZ1065系列的ESD防護組件。為避免防護組件的寄生電容影響USB3.0 4.8Gbps差動(Differential)訊號的高速傳輸，AZ1065的寄生電容已低于0.3pF。在極低的電容特性下，任一接腳在室溫時仍皆可承受IEC 61000-4-2接觸模式10kV ESD的轟擊。最重要是，以相同寄生電容來比較，AZ1065擁有最低的ESD箝制電壓，可有效防止數據傳輸時被ESD事件所干擾，才能讓擁有USB 3.0端口的電子系統有機會通過Class-A的IEC 61000-4-2系統級靜電放電保護測試。利用傳輸線脈沖系統(TLP)測量AZ1065后，可以觀察到如圖一的ESD箝制電壓特性。在IEC 61000-4-2接觸模式6kV的ESD沖擊下(TLP電流等效約為17A)，箝制電壓僅有13.4V，將得以有效避免系統產品于靜電測試時發生數據錯誤、當機甚至損壞的情況。

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圖1：AZ1065-06F的ESD箝制電壓測試曲線。

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在電子產品的USB3.0應用中，AZ1065-06F將是靜電放電防護的最佳解決方案。圖2所示即為裝有ESD防護組件AZ1065-06F的USB3.0端口順利通過5Gbps的Eye Diagram測試結果。

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圖2：AZ1065-06F 5Gbps的Eye Diagram測試結果。

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在電子產品朝向輕薄短小的發展趨勢下，產品的印刷電路板(PCB)也隨之越來越小，但在產品功能強大的要求之下，線路也變得更加復雜，因此PCB的面積已變得寸土寸金，造成產品設計時相當大的困擾。AZ1065系列產品提供六個極低電容的接腳，可同時保護USB3.0的兩組差動對(TX and RX)及USB2.0的差動對(D+ and D-)，具有縮小PCB面積與降低布局(Layout)復雜度等優點，可節省系統成本。更特別的是AZ1065-06F首先采用交錯型式的接腳，以提供PCB Layout時可利用穿透式(Feedthrough)的設計，圖3即為AZ1065-06F的接線方式。此種首創的組件接腳方式將可免除繞線時的諸多困擾，不但對縮短產品設計時間的PCB Layout工作有相當大的幫助，同時差動訊號線的Layout也將更為對稱，減少訊號傳輸錯誤的機會。

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圖3：以AZ1065-06F作為USB3.0 ESD防護，線路可利用穿透式Layout達成。