如何采用ESD保護器件對高頻數(shù)據(jù)傳輸數(shù)據(jù)進行有效保護

由于電子應用要求的不斷發(fā)展，現(xiàn)代的集成電路需要更高的工作頻率和更小的封裝。因此，現(xiàn)在的電子系統(tǒng)要承受更大的ESD沖擊，ESD保護問題變得越來越重要。一般而言，設計者都要求器件的尺寸盡可能最小，但不能影響數(shù)字和模擬信號的質量。這兩點要求必須與最高等級的ESD保護結合起來。

英飛凌的ESD8V0L系列ESD保護二極管器件的設計靈活，具有尺寸小、電容值小等特點?？梢允褂眠@些器件保護高速數(shù)據(jù)接口，如USB2.0、10/100M以太網、火線（Firewire）、視頻、串行/并行以及LAN/WAN接口。這些ESD保護器件的尺寸很小，而且它們符合IEC61000標準（表1），具有高達25kV接觸放電的ESD保護能力。

這些ESD保護器件采用的TSLP封裝的外形極其小巧。與SC79相比，TSLP-2-7封裝尺寸小，高度低（最大只有0.4mm，其已成為市場的基準）。特別是對于快速發(fā)展的移動電話和消費/IT市場（ESD8V0L系列專門針對該市場開發(fā)）而言，對高度降低的需求極其重要。因此，使用TSLP封裝可以節(jié)省空間并提高設計靈活性。

高速能力

對于高頻數(shù)據(jù)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)完整性而言，ESD二極管的電容值是至關重要的特性。圖4說明了高速信號線（如USB2.0）怎樣輕松地被保護。為了對USB2.0集線器和USB2.0器件進行可靠地ESD保護，必須在兩根信號線上都實現(xiàn)ESD保護。

為了通過眼圖比較不同ESD二極管電容的效果，根據(jù)USB2.0規(guī)范對USB2.0測試裝置進行評估。采用USB2.0 6號測試模板來展示完整的USB2.0傳輸鏈路效果，傳輸鏈路從USB2.0驅動器的輸出端（發(fā)送器輸出管腳）開始。該鏈路裝置包含TX和RX側（每側為 5pF）的PCB電容效應、兩個ESD保護電路（集線器和器件上的ESD二極管）、USB電纜（5米長，損耗符合規(guī)范）和接收器的輸入電容（5pF）。

表1：IEC61000標準的參數(shù)列表

圖1：ESD8V0L1B-02LRH和ESD8V0L2B-03L

圖2：放在糖晶體旁的TSLP封裝

圖3：SC79與TSLP-2-7的對比

圖4：兩根信號線的雙向保護

如圖4所示，USB2.0傳輸鏈路的差分數(shù)據(jù)線應連接至ESD8V0L2B-03L的管腳1和管腳2上。二極管的管腳3接地。由每個二極管產生的線路電容都是4pF，差分線間的電容為2pF。

可通過對每條線路使用一個ESD8V0L2B-03L來進一步降低線路電容。將ESD8V0L2B-03L二極管的管腳1（或管腳2）與USB數(shù)據(jù)線相連，另一個管腳接地，保護二極管的電容值被降低至2pF。采取這種方式時，管腳3一直保持浮接（未連接），保護電路如圖5所示。第二條USB數(shù)據(jù)線采用同樣方式進行保護。

兩種配置都可以卸掉超過IEC61000-4-2標準的15kV接觸放電脈沖。如果需要更高的防護能力，建議采用圖5所示的英飛凌ESD8V0L1B-02LRH二極管配置。該配置可實現(xiàn)高達25kV接觸放電的保護等級。

圖5：一根信號線的雙向保護

圖6：用ESD8V0L2B-03L進行的480Mbps數(shù)據(jù)傳輸模擬試驗，在每根數(shù)據(jù)線和接地線之間產生4pF的額外Ct

圖7：用ESD8V0L2B-03L進行的480Mbps數(shù)據(jù)傳輸模擬試驗，在每根數(shù)據(jù)線和接地線之間產生2pF的額外Ct

將ESD8V0L2B-03L ESD二極管用于USB2.0數(shù)據(jù)鏈路不會影響數(shù)據(jù)完整性。對于圖4和圖5所描述的裝置，得到的眼圖符合USB2.0測試規(guī)范，還具有安全的余量，即使USB2.0驅動器和接收器的總容量（包括印刷電路板的影響）達到10pF。另一方面，市場上普遍使用的ESD保護二極管（Ctyp為10pF）可能會在這個USB測試裝置中無法通過（圖8）。

圖8：用傳統(tǒng)的10pF ESD保護二極管進行的480Mbps傳輸模擬試驗

替代多層變阻器

多層變阻器不具備技術驅動應用中安全所需的高性能和高品質。使用變阻器的設計者必須處理性能下降的影響以及高的、不精確的鉗位電壓，這會導致IC損壞和電路故障的風險。與ESD保護二極管相比，變阻器的另一個主要劣勢是高泄漏電流，這在移動通信應用中是不能接受的。此外，在生產過程中，對采用TSLP封裝的ESD保護二極管的操作是很容易的，而多層變阻器經常會面臨焊接和良品率下降的問題。

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