1996年，家喻戶(hù)曉的通用串行接口(USB1.0)初次問(wèn)世，它可以支持低速(LS)模式和全速(FS)模式，分別提供1.5Mbps和12Mbps的速率。2000年，USB2.0面市，其新的高速(HS)模式可提供高達480Mbps的速率，并且依然向下兼容低速模式和全速模式。

目前，USB2.0是最普遍的通用外部數據接口之一，且事實(shí)上已成為便攜式電腦、上網(wǎng)本和臺式機等所有計算機系統的標配接口。此外，諸如便攜式攝像機、數碼相機、MP3播放器、電子游戲機、DVD藍光播放器和電視機，以及手機和DSL/路由器等消費電子產(chǎn)品，也廣泛采用USB2.0接口。

2008年，30億個(gè)帶USB2.0接口的新電子設備進(jìn)入市場(chǎng)。預計2013年將有超過(guò)40億個(gè)具備USB接口的新電子設備上市。隨著(zhù)超高速應用的發(fā)展，對具有更高數據率的外部接口的需求與日俱增，例如將外部硬盤(pán)驅動(dòng)器連接至計算機。

在市場(chǎng)上，有些系統可提供比USB2.0高速模式480Mbps高得多的數據率。例如，千兆以太網(wǎng)的速度是其3倍左右，外部串行ATA(eSATA)則可提供3Gbps的數據率(約6倍)。但所有這些系統均不向下兼容USB2.0接口，因為它們采用的是不同的系統方法。

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USB3.0系統設計挑戰

2008年11月，USB3.0規范發(fā)布。USB3.0不僅包含USB2.0的全部功能(HS、FS和LS)，而且可提供名為超高速(SuperSpeed)的單獨的全新超高速數據鏈路。超高速鏈路為下載(從主機到設備，被稱(chēng)為發(fā)送方向)和上傳(從設備到主機，被稱(chēng)為接收方向)提供了單獨的差分數據線(xiàn)路。超高速模式可提供的最高數據率為5Gbps(圖1)。

圖1：USB3.0物理鏈路在主機側和設備側帶有ESD防護

為同時(shí)支持USB2.0功能和新的超高速模式，電纜必須采用新的結構，以提供三條差分耦合信號線(xiàn)(TX+/Tx-、RX+/Rx-和D+/D-)。此外，USB3.0電纜還必須具備Vcc線(xiàn)和GND線(xiàn)。這種低成本的USB3.0電纜所面臨的挑戰，是需支持很高的截止頻率且不會(huì )在相鄰的差分耦合線(xiàn)對之間形成干擾(圖2a)。

圖2a：USB3.0電纜結構

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為支持USB3.0電纜所包含的全部線(xiàn)路，必須強制規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ESD的角度看，這導致標準A連接器的超高速線(xiàn)路很容易發(fā)生ESD沖擊(在主機側和設備側)。一種強有力的對策是在USB3.0鏈路中實(shí)現有效的ESD防護機制。

圖2b：USB3.0電纜結構

超高速數據傳輸系統面臨的一個(gè)最嚴峻的問(wèn)題,是確保在接收端實(shí)現一定程度的信號完整性。很高的信號完整性有助于實(shí)現很低的誤碼率(例如,對于USB3.0超高速模式，典型誤碼率為1E-12)。眼圖描述了信號完整性的特性。在擁有無(wú)限帶寬的完美系統中，眼圖完全張開(kāi)。在實(shí)際的系統中，發(fā)送和接收阻抗(90歐姆差分阻抗)以及發(fā)送側和接收側的所有寄生電容，限制了信號的上升時(shí)間/下降時(shí)間。這些寄生電容存在于USB3.0收發(fā)器內部和/或PCB外部。不匹配的PCB線(xiàn)路、USB3.0連接器或其它并聯(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(圖2b)。為抵消高頻內容的衰減，可在發(fā)送側和接收側利用專(zhuān)用均衡器改變信號。這些措施均有助于加快信號上升和下降邊的速度，從而得到張得更開(kāi)的眼圖(即更高的信號完整性)(見(jiàn)圖3a和圖3b)。

為實(shí)現適當的信號完整性性能，TVS二極管的電容必須很低，但TVS二極管也必須提供較高的ESD包含水平。

圖4a、b為整個(gè)USB3.0鏈路的眼圖模擬圖(誤碼率為1E-6)。在圖4a中，所用的接收信號是在未經(jīng)接收端均衡器處理之前。在圖4b中，所用的接收信號是經(jīng)接收端均衡器處理之后。紅色的內輪廓線(xiàn)所示為用外推法得到的誤碼率為1E-12時(shí)的眼圖張開(kāi)程度。紅紫色輪廓線(xiàn)為USB3.0技術(shù)規范中規定的超高速一致性測試的有效值。比較這兩個(gè)眼圖，在接收端使用均衡器的效果顯而易見(jiàn)。

圖4a：未經(jīng)接收端均衡器處理之前的信號眼圖。 圖4b：經(jīng)接收端均衡器處理之后的信號眼圖?！　?/p>

超高速鏈路和USB2.0傳輸鏈路采用了差分耦合90歐姆線(xiàn)路。鏈路內部的阻抗不匹配造成的信號反射會(huì )降低信號完整性。為避免出現這種情況，包括USB3.0電纜在內的整個(gè)布局設計，應當實(shí)現90歐姆差分阻抗匹配。

為盡量減少斜率下降，并且提供相同的延遲時(shí)間，所有差分耦合線(xiàn)路均必須為相同的長(cháng)度。對USB3.0電纜而言，這一點(diǎn)尤為重要。斜率下降的多會(huì )降低信號完整性，從而導致所謂的“差模共模信號轉換”。所產(chǎn)生的共模信號會(huì )影響EMI測試的順利進(jìn)行。阻抗匹配的適當布局設計，能避免這些問(wèn)題。
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USB3.0超高速鏈路和USB2.0鏈路的布局布線(xiàn)考慮

在整個(gè)USB3.0鏈路的布局布線(xiàn)設計中，應考慮下列因素：(1)所有PCB線(xiàn)路和互連電纜均采用完全阻抗匹配的90歐姆差分設計。(2)必須最大限度地減少非差分耦合線(xiàn)路。(2)非差分耦合線(xiàn)路會(huì )嚴重影響眼圖的內眼張開(kāi)程度。(3)90歐姆差分耦合PCB線(xiàn)路的線(xiàn)路寬度和線(xiàn)路間隔不應太窄，以避免造成額外的損耗，同時(shí)便于生產(chǎn)。從生產(chǎn)的角度而言，差分線(xiàn)路的理想線(xiàn)路寬度為0.3毫米，線(xiàn)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FR4，且er=4)。(4)差分耦合鏈路的正電和負電線(xiàn)路(包括USB3.0電纜)之間的延遲(線(xiàn)路長(cháng)度)完全相同(最大限度地減少斜率下降)。對于保持很高的信號完整性和避免生成共模信號，這一點(diǎn)很重要。圖5為具備ESD防護電路的USB3.0標準A連接器橫截面的布局布線(xiàn)設計示例。

圖5：具備ESD防護電路的標準A連接器USB3.0布局布線(xiàn)設計建議

USB3.0的新型ESD防護策略

持續不斷地減小芯片的各個(gè)組件的尺寸是降低生產(chǎn)成本、提高工作頻率的根本，但與此同時(shí)，這種微型化也產(chǎn)生了新的問(wèn)題(如容易發(fā)生ESD擊穿)。因此，對提供可靠的ESD防護機制的要求與日俱增。

USB3.0可提供最高5Gbps的數據率，因此基本頻率高達2.5GHz。為實(shí)現很高的信號完整性，數據信號的上升時(shí)間和下降時(shí)間必須非常短。對第3諧波或第5諧波的處理，不應發(fā)生明顯衰減。這些只能通過(guò)利用寄生效應最小、半導體開(kāi)關(guān)速度最快的尖端半導體制程才能實(shí)現。這種微型化半導體結構的缺點(diǎn)，是對ESD沖擊造成的過(guò)壓的耐受能力降低。采用內置ESD防護裝置，會(huì )引起寄生效應(寄生電容)，并且需要占用很大的片上空間。

一種十分經(jīng)濟高效的方法，是同時(shí)采用內置ESD防護機制(集成到USB3.0收發(fā)器中)，以及專(zhuān)為提供外部ESD防護而定制的性能增強(即高電流)應用電路(由器件/電路設計者在電路板上實(shí)現)。內置ESD防護機制旨在提供器件級保護，例如，嚴格遵守HBM JEDEC JESD 22-A115要求。內置ESD防護對在開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)和電路板裝配過(guò)程中安全地拿放器件很重要。專(zhuān)為該應用定制的外部TVS二極管則按照IEC61000-4-2標準，實(shí)現了更加嚴格的系統級保護。

為提供適當的USB3.0系統級ESD防護，ESD防護器件(TVS二極管)必須滿(mǎn)足不同的要求?？蓞⒄誌EC61000-4-2標準，根據殘留箝位電壓和TVS二極管對ESD沖擊的響應，判斷TVS二極管的ESD防護性能。

TVS二極管的ESD防護性能會(huì )受TVS二極管的一些特性影響，比如最低R_on(動(dòng)態(tài)電阻R_dynamic)和專(zhuān)為該應用定制的最低V_breakdown。

根據經(jīng)驗，可以計算出箝位電壓(V_clamp)：

為確保應用的安全，壓敏電壓必須與所保護的線(xiàn)路上的最高電源電壓和最高信號電平相一致。動(dòng)態(tài)電阻(R_dyn)應當盡可能小。結合最優(yōu)壓敏電壓和最低動(dòng)態(tài)電阻，可最大限度地減小IC上的殘留ESD應力。

可根據傳輸線(xiàn)路脈沖(TLP)測定值，推導出動(dòng)態(tài)電阻(圖5)。

圖6：專(zhuān)為USB3.0超高速模式提供ESD防護而定制的英飛凌ESD3V3U4UL TVS二極管的TLP測定結果。

根據TLP測定圖，可計算出動(dòng)態(tài)電阻(圖6)：

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為對USB3.0超高速鏈路提供靜電防護，英飛凌專(zhuān)為該應用定制了一只動(dòng)態(tài)電阻僅為0.3歐姆左右、最高反向工作電壓為3.3V(壓敏電壓最低4V)的TVS二極管(ESD3V3U4ULC)。在測試中，16A的ESD沖擊的箝位電壓為11V，這在當今市場(chǎng)上的同類(lèi)產(chǎn)品中堪稱(chēng)佼佼者。

備注：按照IEC61000-4-2標準，所用16A TLP測試脈沖非常適合8KV接觸ESD沖擊，在30ns點(diǎn)上提供了16A的ESD電流。

為保護另外的USB2.0鏈路，TVS二極管必須提供稍高一些的反向工作電壓/壓敏電壓。為支持全速和低速模式，必須提供更高的壓敏電壓，從而形成最高+5V左右的信號振幅。英飛凌ESD5V3U1U和ESD5V3U2U系列可提供最低5.3V的反向工作電壓(壓敏電壓最低6V)，二極管電容典型值為0.4pF。

帶ESD防護的USB3.0超高速鏈路的信號完整性

分別在帶ESD防護和未帶ESD防護的情況下，對圖1所示的整個(gè)USB3.0超高速鏈路執行了信號完整性模擬。

整個(gè)收發(fā)部分具備90歐姆差分阻抗，考慮了發(fā)送側和接收側的寄生效應。測得數據表明了USB3.0電纜的狀態(tài)。規定最長(cháng)USB3.0電纜長(cháng)度為3米。

為對USB3.0超高速鏈路提供ESD防護，在主機側和設備側均配置了英飛凌ESD3V3U4ULC。ESD3V3U4ULC具備卓越的ESD防護性能，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超高速鏈路的基本布局布線(xiàn)設計規則(見(jiàn)圖5)

在對整條USB3.0超高速鏈路執行的信號完整性模擬中，按照USB3.0一致性測試標準參數，實(shí)現了發(fā)送側信號去加重和接收端均衡器，并分析了經(jīng)接收端均衡器處理之后的超高速信號的眼圖。模擬所用誤碼率為1E6。根據模擬結果，推導出誤碼率為1E12時(shí)的眼圖張開(kāi)程度(紅色和藍色輪廓線(xiàn))。

分別在未帶TVS二極管(紅色輪廓線(xiàn))和帶有TVS二極管(ESD3V3U4ULC，藍色輪廓線(xiàn))的情況下，計算出眼圖的張開(kāi)程度(圖7)。

圖7：在主機側和設備側帶和未帶ESD3V3U4ULC時(shí)的眼圖。

在主機側和設備側帶有超低電容TVS二極管ESD3V3U4ULC，眼圖張開(kāi)程度(輪廓線(xiàn))會(huì )受到一定影響。雖然眼圖張開(kāi)程度會(huì )略微減小，但相比于USB3.0技術(shù)規范中規定的基準模式(紅紫色輪廓線(xiàn))，仍大出許多。

本文小結

必須精心設計USB3.0鏈路，以實(shí)現最優(yōu)系統級ESD防護性能，并且強制要求實(shí)現毫厘不差的信號完整性。為同時(shí)滿(mǎn)足這兩個(gè)要求，ESD防護器件必須具有卓越的ESD防護性
能和很低的器件電容。采用“陣列”配置的英飛凌ESD3V3U4ULC，結合清楚明了的布局布線(xiàn)設計和高質(zhì)量鏈路(USB3.0電纜)，能夠實(shí)現上述要求。