面向USB3.0的新型ESD防護(hù)設(shè)計
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USB3.0電纜結(jié)構(gòu)
圖 2a：USB3.0電纜結(jié)構(gòu)。
超高速數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)面臨的一個最嚴(yán)峻的問題,是確保在接收端實現(xiàn)一定程度的信號完整性。很高的信號完整性有助于實現(xiàn)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。在擁有無限帶寬的完美系統(tǒng)中，眼圖完全張開。在實際的系統(tǒng)中，發(fā)送和接收阻抗(90歐姆差分阻抗)以及發(fā)送側(cè)和接收側(cè)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(fā)器內(nèi)部和/或PCB 外部。不匹配的PCB線路、USB3.0連接器或其它并聯(lián)電容器等，均會造成外部寄生電容。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(yīng)(圖2b)。為抵消高頻內(nèi)容的衰減，可在發(fā)送側(cè)和接收側(cè)利用專用均衡器改變信號。這些措施均有助于加快信號上升和下降邊的速度，從而得到張得更開的眼圖(即更高的信號完整性)(見圖3a和圖3b)。
為實現(xiàn)適當(dāng)?shù)男盘柾暾孕阅埽琓VS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(nèi)輪廓線所示為用外推法得到的誤碼率為1E-12時的眼圖張開程度。紅紫色輪廓線為USB3.0技術(shù)規(guī)范中規(guī)定的超高速一致性測試的有效值。比較這兩個眼圖，在接收端使用均衡器的效果顯而易見。
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。
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。
超高速鏈路和USB2.0傳輸鏈路采用了差分耦合90歐姆線路。鏈路內(nèi)部的阻抗不匹配造成的信號反射會降低信號完整性。為避免出現(xiàn)這種情況，包括USB3.0電纜在內(nèi)的整個布局設(shè)計，應(yīng)當(dāng)實現(xiàn)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間，所有差分耦合線路均必須為相同的長度。對USB3.0電纜而言，這一點尤為重要。斜率下降的多會降低信號完整性，從而導(dǎo)致所謂的“差模共模信號轉(zhuǎn)換”。所產(chǎn)生的共模信號會影響EMI測試的順利進(jìn)行。阻抗匹配的適當(dāng)布局設(shè)計，能避免這些問題。
USB3.0超高速鏈路和USB2.0鏈路的布局布線考慮
在整個USB3.0鏈路的布局布線設(shè)計中，應(yīng)考慮下列因素：(1)所有PCB線路和互連電纜均采用完全阻抗匹配的90歐姆差分設(shè)計。(2)必須最大限度地減少非差分耦合線路。(2)非差分耦合線路會嚴(yán)重影響眼圖的內(nèi)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(yīng)太窄，以避免造成額外的損耗，同時便于生產(chǎn)。從生產(chǎn)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(zhì)高度(假設(shè)FR4，且er=4)。(4)差分耦合鏈路的正電和負(fù)電線路(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，這一點很重要。
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