1. USB 接口演進歷史

1996 年，眾所周之的通用串行接口（USB）初次問世。當時，版本 1.0 的 USB 接口僅可在低速（LS）模式和全速（FS）模式下，分別提供 1.5 Mb/s 和 12 Mb/s 的速率。2000 年， USB2.0 面市。新的高速（HS）模式可提供高達 480 Mb/s 的速率，并且依然向下兼容低速模式和全速模式。

2. USB3.0 系統概述

2008 年 11 月， USB3.0 技術規范發布。USB3.0 不僅包含了 USB2.0 的全部功能（HS、 FS 和LS），而且提供了名為超高速度（SuperSpeed）的單獨的全新超高速數據鏈路。超高速度鏈路為下載（主機=>器件，被稱為發送方向）和接收方向上的上傳（器件=>主機）提供了單獨的差分數據線路。超高速度模式可提供的[敏感詞]數據率為 5 Gb/s（請參閱圖 1 ）。

圖 1 USB3.0 超高速度模式和 USB2.0 模式物理鏈路（在主機側和器件側實現了靜電防護）

要同時支持 USB2.0 功能和新的超高速度模式，電纜必須采用新的結構，以提供三條差分耦合信號線（TX+/Tx-、 RX+/Rx-和 D+/D-）。Vcc 線和接地線也是電纜中不可或缺的組成部分。這種低成本 USB3.0 電纜面臨的挑戰是，支持很高的截止頻率，而不會在相鄰的差分耦合線對之間形成干擾。（請參閱圖 2）

圖 2 USB3.0 電纜結構和電纜衰減（差分模式）

為了支持 USB3.0 電纜所包含的全部線路，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。從靜電防護的角度而言，這導致標準 A連接器的超高速度模式線路很容易被靜電擊中（在主機側和器件側）。一種強有力的對策是在USB3.0 鏈路中實現高效的靜電防護機制。

超高速數據傳輸系統面臨的一個最為嚴峻的問題是，確保在接收端實現一定程度的信號完整性。高信號完整性對實現很低的誤碼率非常重要（譬如，對于 USB3.0 超級速度模式，典型誤碼率為 1E-12）。眼圖表明了信號完整性的特性。

在擁有無限帶寬的完美系統中，眼圖完全張開。而在實際的系統中，發送和接收阻抗（90歐姆差分阻抗）以及發送端和接收端的所有寄生電容，限制了信號的上升時間/下降時間。這些寄生電容存在于USB3.0收發器內部，和/或PCB外部。不匹配的PCB線路、USB3.0連接器或其他并聯電容器等，均會造成外部寄生電容。因此，這些額外的并聯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（請參閱圖2）。為了抵消高頻信號的衰減，可在發送端和接收端利用專用均衡器來調整信號。

這些措施均有助于加快處于上升和下降邊緣的信號的速度，從而得到張得更開的眼圖（即，更高信號完整性）（請參閱圖 3）。

要實現適當的信號完整性性能， TVS 二極管的電容必須很低，但另一方面， TVS 二極管必須提供很高的靜電防護能力。

圖 3 發送端信號還原（ 3.5dB 標準參數）和接收端線性均衡器（標準參數）

圖4所示為整個USB3.0鏈路的眼圖模擬（誤碼率為1E6時）。在圖4（左圖）中，接收信號是在未經接收端均衡器處理之前測得的。在圖（右圖）中，信號是經接收端均衡器處理之后測得的。紅色的內輪廓線所示為用外推法得到的誤碼率為1E12時的眼圖張開程度。紅紫色輪廓線為USB3.0技術規范中規定的超高速度模式合規測試的有效值。比較兩個眼圖，在接收端使用均衡器的效果顯而易見。

圖 4 未經接收端均衡器處理之前的信號眼圖（左圖）與經接收端均衡器處理之后的信號眼圖（右圖）

超高速度鏈路和USB2.0傳輸鏈路采用了差分耦合90歐姆線路。鏈路內部的阻抗不匹配造成的信號反射會降低信號完整性。為了避免出現這種情況，包括 USB3.0 電纜在內的整個布局設計，應當實現 90 歐姆差分阻抗匹配。

為了使“削弱斜率”盡可能小，并且提供相同的線路延遲時間，所有差分耦合線路均必須為相同的長度。對于USB3.0電纜本身，這一點尤為重要。

較高“削弱斜率”會降低信號完整性，從而導致所謂的“差模共模信號轉換”。所生產的共模信號會影響EMI測試的順利進行。阻抗匹配的適當布局設計，能避免這些問題。

3. USB3.0 超高速度鏈路和 USB2.0 鏈路的靜電防護布局設計提議

在整個 USB3.0 鏈路的布局設計中，應考慮下列因素：

（1）所有 PCB 線路和互連電纜均強制要求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路。非差分耦合線路會嚴重影響眼圖內眼張開程度

（3）90歐姆差分耦合PCB線路的線路寬度和線路間隔不應太窄，以避免造成額外的損耗，并且這些線路應當足夠結實，以便于生產。從生產的角度而言，差分線路的理想線路寬度為0.3毫米，線路間隔為0.2毫米。這會形成 200 微米的電介質高度（假設：FR4，且 er=4）

（4）差分耦合鏈路的正極和負極線路（包括USB3.0電纜）之間的延遲（線路長度）完全相同（最大限度地減小削弱斜率）。對于保持很高的信號完整性和避免生成共模信號，這一點很重要。

圖 5 所示為兼具靜電防護電路的 USB3.0 標準A連接器橫截面布局設計示例。

圖 5 標準 A 連接器+英飛凌靜電防護裝置 USB3.0 布局設計建議

4. 面向 USB3.0 的現代化靜電防護策略

一方面，持續不斷地減小芯片的各個組件的尺寸，是降低生產成本，擴展工作頻率的根本。另一方面，這種微型化也產生了新的問題（如，容易發生靜電擊穿）。對提供可靠靜電防護機制的要求與日俱增。

USB3.0可提供[敏感詞]5Gb/s的數據率，因此基本頻率高達2.5GHz。為了實現很高的信號完整性，數據信號的上升時間和下降時間必須非常短。第3諧波甚或第5諧波的處理，不應發生明顯衰減。只能通過利用寄生效應最小且半導體開關速度最快的技術[敏感詞]的半導體制程，才能實現這一點。這種微型化半導體結構的缺點是，在靜電放電造成的過壓面前不堪一擊。采用內置靜電防護裝置，會引起寄生效應（寄生電容），并且要占用寶貴的片上空間。

一種十分經濟高效的方法是，結合采用內置靜電防護機制（集成到USB3.0收發器中），和專為提供外部靜電防護而量身定制的性能強健的高電流應用電路（由器件/電路設計者在電路板上實現）。

內置靜電防護機制旨在僅提供器件級保護，譬如，依照HBMJEDECJESD22-A115的規定。對于確保在開發、生產和電路板裝配過程中安全地拿放器件，內置靜電防護機制起到了重要作用。專為該應用量身定制的外部 TVS 二極管則實現了符合 IEC61000-4-2 標準的更加嚴格的系統級保護。

為了給 USB3.0 鏈路提供適當的系統級靜電防護，靜電防護器件（TVS 二極管）必須滿足不同的要求。可參照 IEC61000-4-2標準，根據殘余箝位電壓以及 TVS 二極管對特定靜電放電的響應，判斷 TVS 二極管的靜電防護性能。

TVS 二極管的一些特性，會影響其靜電防護性能
? [敏感詞]導通電阻（R_on）（動態電阻（R_dynamic））
? [敏感詞]擊穿電壓（V_breakdown），專為該應用度身定制
根據經驗，可以計算出箝位電壓（V_clamp）：

可根據TLP（傳輸線路脈沖）測定值，推導出動態電阻。（參見圖6）為確保應用的安全，擊穿電壓必須與所保護的線路上施加的[敏感詞]電源電壓和[敏感詞]信號電平相一致。動態電阻（R_dyn）應當盡可能小。結合最優擊穿電壓和[敏感詞]動態電阻，可最大限度地減小 IC 上的殘余靜電放電應力。

根據 TLP 測定圖，可計算出動態電阻（參見圖 6）：

圖 6 專為給 USB3.0 超高速度鏈路提供靜電防護而量身定制的英飛凌 ESD3V3U4UL 的 TLP 測定結果

為了保護另外的USB2.0鏈路，TVS二極管必須提供稍高一些的反向工作電壓/擊穿電壓。要支持全速模式和低速模式，必須提供更高的擊穿電壓，從而形成[敏感詞]+5V 左右的信號振幅。英飛凌 ESD5V3U1U 和ESD5V3U2U系列可提供[敏感詞]5.3V的反向工作電壓（擊穿電壓：[敏感詞]6V）和0.4pF的典型二極管電容值。

5. 實現了靜電防護的 USB3.0 超高速度鏈路的信號完整性

分別在實現了靜電防護和未實現靜電防護的情況下，對整個 USB3.0 超級速度鏈路執行了信號完整性模擬。（參見圖 1 ）

整個收發區具備 90 歐姆差分阻抗。考慮了發送端和接收端的寄生效應。測得數據表明了 USB3.0 電纜的狀態。規定 USB3.0 電纜的最大長度為 3 米。

為了給USB3.0超高速度鏈路提供靜電防護，在主機側和器件側均配置了英飛凌ESD3V3U4ULC。ESD3V3U4ULC具備卓越的靜電防護性能，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 超高速度鏈路的基本布局設計規則。（參見圖 5）

在對整條USB3.0超高速度鏈路執行的信號完整性模擬中，按照USB3.0合規測試標準參數，實現了發送端信號還原和接收端均衡處理。分析了經接收端均衡器處理之后的超高速度信號的眼圖。模擬所用誤碼率為 1E6。根據模擬結果，推導出誤碼率為 1E12 時的眼圖張開程度（紅色和藍色輪廓線）。

分別在未配備 TVS 二極管（紅色輪廓線）和配備了 TVS 二極管（ESD3V3U4ULC，藍色輪廓線）的情況下，計算出眼圖的張開程度。（參見圖 7）

圖 7 在主機側和器件側配置和未配置 ESD3V3U4ULC 時的眼圖

在主機側和器件側實現超低電容 TVS 二極管 ESD3V3U4ULC，眼圖張開程度（輪廓線）會受到一定影響。雖然眼圖張開程度會略微減小，但相比于 USB3.0 技術規范中規定的基準模式（紅紫色輪廓線）而言，仍大出許多。

浴缸狀曲線模擬詳盡地表明了TVS二極管的作用。黑色刻度線所示為USB3.0技術規范中規定的誤碼率為10E12時，眼圖基準模式的電壓和時間（皮秒）參數。紅色曲線為未配備 TVS 二極管時計算所得， 藍色曲線為在主機側和器件側配置了 ESD3V3U4ULC 時計算所得。

圖 8 配備/未配備 TVS 二極管時的電壓和時間浴缸狀曲線模擬

6 結語：

精心設計USB3.0鏈路以實現最優系統級靜電防護性能和毫厘不差的信號完整性，是一個強制性要求。要同時滿足這兩個要求，靜電防護器件必須具備卓越的靜電防護性能和很低的器件電容。采用“陣列”配置的英飛凌ESD3V3U4ULC，加上清楚明了的布局設計和高質量鏈路（USB3.0電纜），便能滿足上述要求。