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USB 2.0高速端口的ESD保护

如今的电子系统中越来越多地采用以CMOS工艺制造的低功率逻辑芯片。这些芯片如果遭遇足够高的静电放电(ESD)电压,芯片内部的电介质上就会产生电弧,并在门氧化物层烧出显微镜可见的孔洞,造成芯片的永久损坏。

 

通用串行总线(USB)高速数据应用也十分普遍,用户在热插拨任何USB外设时可能会导致ESD事件。此外,在离导电表面几英寸的地方也可能发生空气放电,可能损坏USB接口及芯片。因此,设计人员必须为USB元件提供ESD保护。

 

业界制定了不少针对不同瞬态干扰的ESD标准,比如针对系统级ESD事件的IEC61000-4-2国际标准。另外还有一些元器件级的ESD敏感度测试标准,如人体模型(HBM)和机器模型(MM)等。USB 2.0高速数据线路应用的半导体ESD保护元件应当具备下列重要特性:

 

极低电容:将USB 2.0高速数据线路(480 Mbps)中的信号衰减减至最小;

 

快速动作响应时间(纳秒级):在ESD脉冲信号快速上升时保护USB元件;

 

低泄漏电流:将额定工作条件下的功率消耗减至最低;

 

强固性:能够承受很多次的ESD事件冲击而不受损伤;

 

小封装:集成型更小封装

 

本文介绍安森美半导体的新的低电容瞬态电压抑制器(TVS)二极管阵列NUP4114UPXV6的主要特性,并讨论如何为USB 2.0高速数据线路提供有效的ESD保护。

 

NUP4114UPXV6的特性及配置选择

 

NUP4114UPXV6是一款非常适合USB 2.0高速数据线路ESD保护的TVS二极管阵列。该器件具有0.8pF的极低电容(I/O线路与地之间的典型电容),能将USB 2.0高速数据线路中的信号衰减降至最低。该器件满足13 kV接触放电的系统级IEC61000-4-2标准,并能承受人体模型3B类(超过8 kV)和机器模型C类(超过400V)的CMOS器件级ESD额定脉冲,具有强固的ESD保护性能。此外,它采用SOT563封装,尺寸仅为1.6×1.6×0.55mm,非常适合计算机、手机、MP3播放器等应用中的USB2.0高速数据线路及其它高速应用的ESD保护。

 

NUP4114UPXV6能够保护多达4条数据线路,驱使瞬态过压达到钳位参考点,让应用免受瞬态过压条件影响。无论什么时候,只要受保护线路上的电压超过参考电压(Vf或VCC+Vf),器件中的控向(steering)二极管将正向偏置。这些二极管会迫使瞬态电流不经过敏感的CMOS芯片,而从其旁路流过。

 

在保护应用中,数据线路连接至这器件的引脚1、3、4和6。负参考连接至引脚2,且该引脚必须通过接地层(ground plane)直接连接至地,从而将印制电路板(PCB)的接地电感降至最低。为将寄生电感降至最低,尽可能缩短走线(trace)长度也非常重要。

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