面向USB3.0的新型ESD防護設(shè)計

1996年，家喻戶曉的通用串行接口(USB1.0)初次問世，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(dá)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(shù)據(jù)接口之一，且事實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(tǒng)的標(biāo)配接口。此外，諸如便攜式攝像機、數(shù)碼相機、MP3播放器、電子游戲機、DVD藍(lán)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，30億個帶USB2.0接口的新電子設(shè)備進入市場。預(yù)計2013年將有超過40億個具備USB接口的新電子設(shè)備上市。隨著超高速應(yīng)用的發(fā)展，對具有更高數(shù)據(jù)率的外部接口的需求與日俱增，例如將外部硬盤驅(qū)動器連接至計算機。

在市場上，有些系統(tǒng)可提供比USB2.0高速模式480Mbps高得多的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)率(約6倍)。但所有這些系統(tǒng)均不向下兼容USB2.0接口，因為它們采用的是不同的系統(tǒng)方法。

USB3.0系統(tǒng)設(shè)計挑戰(zhàn)

2008年11月，USB3.0規(guī)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(shù)據(jù)鏈路。超高速鏈路為下載(從主機到設(shè)備，被稱為發(fā)送方向)和上傳(從設(shè)備到主機，被稱為接收方向)提供了單獨的差分?jǐn)?shù)據(jù)線路。超高速模式可提供的最高數(shù)據(jù)率為5Gbps(圖1)。

USB3.0物理鏈路在主機側(cè)和設(shè)備側(cè)帶有ESD防護

圖 1：USB3.0物理鏈路在主機側(cè)和設(shè)備側(cè)帶有ESD防護。

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

USB3.0電纜結(jié)構(gòu)

圖 2a：USB3.0電纜結(jié)構(gòu)。

為支持USB3.0電纜所包含的全部線路，必須強制規(guī)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(dǎo)致標(biāo)準(zhǔn)A連接器的超高速線路很容易發(fā)生ESD沖擊(在主機側(cè)和設(shè)備側(cè))。一種強有力的對策是在USB3.0鏈路中實現(xiàn)有效的ESD防護機制。