HDMI、USB 2.0等高速端口的ESD保護(二)

發布時間：2009-5-15 11:39 發布者：虞美人

關鍵詞： ESD , HDMI , USB , 端口

盡管現有的各種抑制器均能夠提供有效的ESD 保護功能，但不能以犧牲系統的信號完整性為代價。因此，在把ESD抑制器引入電路設計之前，必須對其電容有所考慮。具有極低電容值的ESD抑制元件(如PESD器件)能夠在提供ESD保護功能的同時保持高速數據信號的數據完整性。由于傳輸最高速率的不同，不同的數據接口所能接受的最高電容是不一樣的。譬如，USB2.0數據線上的寄生電容一般控制在10pF以內，而DVI或HDMI數據接口要求則更低，通常低于1pF(圖2)。

高速信號和瞬變(如ESD)還帶來了另一個寄生特性—電感。尤其值得關注的是用來實現連接器、芯片及其他任何配套元件之間互連的電路板上跡線的寄生電感。與電容效應相似，由電路板跡線所產生的電感將不會影響低頻信號。但是，在高速條件下，這種電感將產生有可能影響信號完整性的阻抗分量。當高頻信號(如ESD)通過時，少量的跡線電感可能轉換成巨大的阻抗。設計師可通過在ESD抑制器和受保護芯片之間設置盡可能大的距離的方法來利用上述特性來完善ESD器件和IC本身間的協同、偶合。
低電容 ESD保護對于高速條件下保持數據的完整性是非常關鍵的。在常見的瞬間過電壓抑制器件中，金屬氧化物壓敏電阻(MOV)和多層壓敏電阻(MLV)因價廉物美而應用廣泛。但其固有的高電容決定了其應用范圍只能局限于低頻領域和電源的瞬間電壓抑制上。而硅類ESD防護器件，包括齊納二極管、TVS二極管/陣列等，雖然具有保護電壓低而準確的優點，其寄生電容依舊不可忽視，通常難以適用于高速數據通訊接口，如HDMI,IEEE1394等。
為滿足高速數據通訊接口既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。其中以瑞侃電路保護部門(RCP: Raychem Circuit Protection)推出的PESD器件為代表。該器件的電容極低(通常0.25pF)，漏電流極小(<0.001A)；ESD防護快速有效(響應曲線如圖3所示，觸發電壓典型值為150~250V；響應時間少于1ns)；價格低于低電容硅器件。因此，在高速數據傳輸條件下，PESD器件擁有更佳的保護應用特性。該器件已成功應用于HDMI1.3和USB2.0等多種高速接口電路。

圖4、圖5和圖6展示了利用瑞侃電路保護部門PESD器件對HDMI1.3、USB2.0和IEEE1394接口電路進行保護的典型應用。這些保護將ESD 與敏感電路隔離。在傳輸線路脈沖(TLP) 測試和IEC61000-4-2測試中，尤其是經過多次采樣(1000次TLP測試)后，其性能要比其他可比較的元件好。相對于其他典型的聚合物ESD防護器件，這類PESD器件的較低觸發電壓(通常150V)和低箝位電壓(通常25V)能更好的幫助保護敏感電子元件。該器件采用電子工業中最流行的0603和0402貼裝形式，符合RoHS 的嚴格要求；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。

當選擇了一個抑制和電特性(漏電流、電容)與電路參數相吻合的ESD抑制器之后(如PESD)，還需要作出另一項選擇：抑制器應安裝在電路板的什么位置上才能優化電路的ESD保護?
優化ESD保護指的是使受保護芯片上的ESD瞬變盡可能少。簡單地講，應把ESD抑制器直接放置在連接器的后面。它應該是第一個遭遇ESD瞬變的板級元件。然后，在實際可行的情況下，任何需要保護的芯片均應盡可能地遠離ESD抑制器。采取這一方法將極大地減輕集成電路所承受的應力
下面列出的是PESD器件安裝位置的相對優先級，按從高到低的順序排列如下：

設置于作為系統屏蔽(機殼)中的入口的連接器的內部；
安放于電路板跡線與連接器插腳相互作用的位置；
放置于電路板上緊挨在連接器后面的位置；
位于可以高效耦合至I/O 線路的性能穩定且未受保護的傳輸線路；
設置于數據傳輸線路上的一個串聯阻性元件之前；
位于數據傳輸線路上的一個分支點之前；
靠近IC和/或ASI。

另一個需要考慮的布局問題是從PESD到被保護IC的距離和偶合電阻的選擇。目標是將該距離降至最小。需要保護的IC通常自身帶有ESD保護。但這只屬于器件級的防護，且一致性較差，需要PESD器件協助/偶合達到設備/系統級的ESD防護。隨著與傳輸線路之間距離的增加，ESD抑制器變得越發與受其保護的信號線“隔離”開來。與電路板走線相關聯的電感以及任何的封裝寄生電感都將在保護電路中加入阻抗，成為PESD電壓抑制器和IC間的偶合阻抗。因為IC芯片將要承受抑制器兩端和偶合阻抗兩端的電壓之和，理想的設計應使PESD盡可能多承受應力，同時保證兩級防護間沒有遺漏的“死角”。
最后，機殼(框架)的地應是ESD基準，而不是信號(數字)地。目的是把ESD從信號環境中屏蔽出去。使ESD TVS保護器件以機殼的地為基準，則可免受那些不希望的噪聲效應(如接地反跳)的影響。目標是盡量保持“干凈” 的信號(數據)環境。

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