高頻數據傳輸接口電路保護方案設計

高頻數據傳輸接口電路保護方案設計

IC制程技術的不斷發展、高速數據傳輸接口的大行其道，使得相關的ESD防護變得日益困難。對更快處理速度和更高功能密度的強烈需求，推動IC制造者進一步縮減MOS元件的最小尺寸，尤其當制造技術轉向90nm以下時，IC芯片體積越來越小、密度越來越高、功能越來越復雜，而其使用的電磁環境卻日趨嚴酷，也使其更易遭受ESD、過壓及過流的損害。同時，各種高速接口的持續發展，特別是便攜式多媒體設備的高速成長，使得數據的高速傳輸成為必然。而怎樣才能在保護接口安全的同時保證數據的高速傳輸，已然成為高頻數據接口面對的難題。

不同接口的電路保護要求

在目前的主流接口中，USB的使用最為廣泛，最新的USB3.0更是會支持高達5Gbps的傳輸速度。當傳輸速度提升到如此高時，信號的保持時間僅有 200ps，此時傳統的高電容MLV、TVS等器件將無法用于ESD保護，高寄生電容將嚴重引起信號波形失真：它減少了電平保持時間，令信號上升和下降沿大為改變，以至于信號無法達到正常的工作電平。與之相比，HDMI1.3標準將早期HDMI1.0-1.2的數據傳輸速率提高了一倍，達到每對差分信號 3.4Gbps。要達到如此高的數據傳輸速率，低電容和出色的電路板設計將成為充分保證信號完整性的關鍵。

新型 DisplayPort接口也正在被許多個人電腦、監視器、投影儀以及其他顯示內容(播放)源設計所采用。DisplayPort接口在高達 2.7Gbps的速率下工作，這比原來的視頻/多媒體互聯標準高得多，因此也面臨著同樣的挑戰。硬盤驅動器、電腦和機頂盒廠家正在向E-SATA (外部串行ATA)標準看齊，把它作為在存儲設備之間傳遞視頻的快速方式，最新SATA3.0標準最新定義的最高傳輸帶寬將高達6Gbps。E-SATA 技術對ESD的需求與HDMI及DisplayPort十分相似，E-SATA的熱插拔性質使得高等級ESD保護變得尤為關鍵。

?
圖1.不同高速接口的信號速度要求比較

可見，對于設計人員來講，高速接口電路保護設計的復雜性及難點來自于工作速度，很多設計人員對于各種各樣的速度表達方式感到無從下手。

以 HDMI1.3和DisplayPort為例，HDMI1.3一般是指在340Mpixel/s下按最高10Gbps的數據傳輸速度工作，這里的最高傳輸速度表示接口將根據所連接的發生器和接收器的視頻能力而改變其時鐘速率。被連接的兩種設備的分辨率或顏色深度越高，時鐘頻率就越高。比如，高清視頻在 1,080p模式下就比在1,080i模式下要處理的數據信息多，時鐘速率也更快。實際工作時，HDMI的工作速度取決于發射器和接收器的能力以及播放源的分辨率和顏色深度。圖１所示為常用高速接口的TMDS的最高工作速率。

DisplayPort標準規定了兩種工作速度：1.62GHz和2.7GHz。設計人員可以根據具體用途和成本因素選擇較低的工作速度，而較高的速度可以使刷新速度更快、分辨率更高、顏色深度更豐富。

有些情況下也有可能實現具備兩種速度的設計。最新USB 3.0規范大大增加了對低電容ESD器件的需求。USB 3.0在現有USB 2.0上增加了兩個高速差分信號對。由于收發差分信號對最高可在5GHz下工作，USB 3.0要求信號比DisplayPort快50%。按照這種速度，任何附加電容都會影響眼圖，從而影響與USB 3.0規范的相符性。

以上高速數據傳輸接口電路保護的主要困難是，保護器件的過大寄生電容會造成一定程度的信號衰減，從而降低顯示質量。因此，ESD器件要根據其所保護的電路接口的信號頻率，選擇足夠低電容以及穩定ESD分流能力的ESD器件，并在元件尺寸、ESD保護性能以及實現的便利性之間進行取舍。在高速數據接口電路上添加ESD保護時，必須考慮外加電容和電感對高速差分信號的時序影響。當USB3.0在高達5GHz的速度下工作時，線路上任何額外阻抗都有可能會使信號失真，導致其難以滿足規定眼圖中的信號上升時間和維持信號電平。

選擇合適的ESD保護器件

高速信號的時序性能一般用眼圖進行測量，眼圖是一種用來精確顯示時序和點評誤差的分析工具。如圖2所示，眼圖中間的灰色部分代表高速差分信號的電氣規格。當線條逐漸侵占灰色部分，誤差余量變得越來越小。眼寬度是代表數據線穩定時間以及是否存在誤差的理想指標。眼高度則表示信號電平或振幅。由于TMDS對為差分信號，盡量減小差分電容和信號-對-地電容十分重要，這樣才能保證信號的上升時間和下降時間符合要求。最理想的情況是，電容足夠低，以給設計人員的足夠的設計余量。

?
圖2 在3.4GHz下工作的泰科電子0.25pF PESD器件的眼圖

為滿足高速數據通信接口既使得ESD保護有效、又不影響高速信號傳輸的要求。近年來，市場上推出了多種專門適用于此類保護要求的器件，例如泰科電子瑞侃電路保護部推出的高分子ESD抑制器件PESD，以及低電容硅類ESD器件SESD。PESD器件的電容極低，典型值0.25pF，漏電流極小 (<0.001A)；ESD防護快速有效, 價格低于低電容硅器件。泰科電子推出的低電容硅類ESD器件包括0201封裝，典型電容為0.6pF的SESD0201C-006-058, 0402封裝，典型電容為0.5pF的SESD0402S-005-054。

圖2展示了泰科電子0.25pF PESD器件在3.4GHz下工作(HDMI 1.3)的眼圖性能，如圖所示，當接口傳輸速度高達HDMI1.3定義的最高3.4GHz時，采用泰科電子PESD靜電保護元件的信號在傳輸過程中，在信號上升時間、下降時間以及信號電平上都有足夠裕量，能夠保證數據正常傳輸不受影響。

覆蓋較寬頻率范圍的低插入損耗和穩定的電容，也對實現保護充分、節省成本和信號衰減最小這一最終目標具有重要影響。插入損耗是衡量信號衰減-頻率關系的一個重要指標。插入損耗過高會降低設備和系統帶寬，對滿足眼圖電平帶來額外的設計約束。

ESD 保護器件的電容與頻率特性也可能影響高速端口的設計性能，從而增加設計約束。在高速系統中，針對某特定電容而設計的電路可能因采用的ESD保護方法不同而表現不同，這就迫使設計人員在構思HDMI電路保護機制時不得不使用復雜的軟件過程改進與能力測定(SPICE)模型和仿真手段。圖3，圖4展示了泰科電子兩種用于高速數據傳輸接口保護E的SD器件在高頻傳輸速率下的插入損耗。

圖3 泰科電子瑞侃PESD器件的插入損耗曲線

圖4 泰科電子瑞侃SESD器件的插入損耗曲線

泰科電子的PESD相對于其它的聚合物ESD保護器件，具有較低觸發電壓和箝位電壓、耐受ESD沖擊、壽命長等特點；SESD相對于聚合物PESD 元件，電容略高(0.6pF)，但其觸發電壓與箝位電壓相對更低，對于極其敏感的IC具有更好的防護作用。泰科電子推出的這兩款產品可以完全覆蓋高速數據傳輸接口的保護，設計者可以根據保護等級、接口電路的工作頻率、元件尺寸、成本以及實現的便利性等進行選擇。這兩個系列的產品采用了電子工業中最為流行的 0603、0402以及目前最小的0201封裝，符合RoHS嚴格要求，能夠幫助機頂盒敏感電路、手提電腦、手機和其它便攜式設備免ESD侵害。

PPTC過流保護

出于安全和調整考慮，HDMI、USB和DisplayPort規范也要求終端用戶可接觸的供電連接器實現過流保護。過流保護器件必須可以復位而無須用戶機械干預，為防止誤動作，其預設動作極限必須高于允許的瞬變電流，同時要求保護元件的常態電阻足夠低，以免造成太多的壓降。聚合正溫度系數(PPTC)器件在各種高速接口應用中的效果已經得到證明。與傳統熔斷器一樣，當電流超過規定極限電流時它們將限制回路電流。但是，與熔斷器不同的是，PPTC可以在故障清除、電源重新上電后復位。PPTC器件具有電阻低、動作時間快和外形尺寸小的特點，使其成為許多供電總線架構中過流保護的首選方法。

不同于HDMI和DisplayPort，USB接口通常用來為便攜電子產品提供電源、充電等功能。因此，對于采用USB接口供電或充電的下游設備，會受到感應式電壓尖峰，錯誤充電器，反向偏壓導致的危害。泰科電子的polyZen元件是聚合物保護的精密齊納二極管微型集成模塊，由一個穩定的箝位電壓精準的齊納二極管和一個非線性聚合物PTC(正溫度系數)組合而成，PTC通過由低阻態向高阻態轉換，從而對二極管過熱或過電流故障作出響應。PolyZen元件具有可復位式防止大功率故障事件的特點，同時只有0.7W功耗。二極管過熱或過電流發生時，PTC“動作”從而限制電流并產生壓降，幫助保護齊納二極管及其后面的電子設備，從而有效提高該二極管的功率處理能力。

圖5、圖6和圖7展示了采用泰科電子ESD器件、MLV器件，PolySwitch過流保護器件，PolyZen過流過壓保護器件設計的HDMI1.3、USB3.0和Display port接口保護電路示意圖。