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  USB4?利用USB Type-C®電纜提供的所有發(fā)送(Tx)和接收(Rx)線路，可以達(dá)到最高40 Gbps的數(shù)據(jù)速率。每個(gè)差分線對(duì)為20 Gbps，相當(dāng)于每個(gè)差分線對(duì)的信號(hào)基頻為10 GHz。雖然以前ESD保護(hù)器件的射頻性能是通過觀察其電容來進(jìn)行比較的，但這種方法在10 GHz左右已達(dá)到了極限。因?yàn)镋SD保護(hù)器件的電容和固有電感能夠有效地形成帶阻濾波器。

  從ESD保護(hù)器件的結(jié)構(gòu)來看，其寄生元件可分為電容(主要貢獻(xiàn)來自于保護(hù)二極管)、電感(主要貢獻(xiàn)來自于封裝鍵合線)和電阻。

  為了強(qiáng)調(diào)保護(hù)器件電感的重要性，Nexperia比較了測(cè)得的焊線ESD保護(hù)器件插入損耗行為(實(shí)線)與理想電容C(與受測(cè)量的器件一樣在10 GHz頻率下)的計(jì)算插入損耗曲線(虛線)。由于焊線電感的原因，10 GHz頻率下的偏差比較明顯。

  顯然，電容本身并不能說明器件在10 GHz或更高頻率下的行為。我們可清晰地觀察到保護(hù)器件的帶阻諧振頻率。在GHz范圍內(nèi)的頻率下，應(yīng)使用散射參數(shù)而非電容來評(píng)估ESD保護(hù)器件的射頻適用性。

  因此，ESD保護(hù)器件針對(duì)USB4數(shù)據(jù)速率的適用性應(yīng)該通過散射參數(shù)來評(píng)定，尤其是通過|S21|(插入損耗或αIL)和|S11|(回波損耗或αRL)來描述由于ESD保護(hù)器件造成的額外信號(hào)衰減和反射。需要注意的是，散射參數(shù)是在50歐姆單端系統(tǒng)(100歐姆差分)上測(cè)得的，因?yàn)檫@是測(cè)量設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)，而USB4數(shù)據(jù)線通常具有90-80歐姆差分(45-40歐姆單端)的線路阻抗。

  封裝設(shè)計(jì)如何支持ESD保護(hù)的射頻性能

  因此，與電容相同但電感更高的ESD保護(hù)器件相比，電感更低的ESD保護(hù)器件具有更出色的射頻性能。首先，更低的對(duì)地電感使ESD保護(hù)器件能夠更快速地反應(yīng)，從而降低ESD脈沖等快速瞬變的鉗位。出于這兩種原因，高速數(shù)據(jù)線的ESD保護(hù)首選無鍵合線單片硅封裝。窄焊盤封裝支持低回波損耗的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

  封裝設(shè)計(jì)如何支持ESD保護(hù)的射頻性能

  關(guān)于主機(jī)/器件插入損耗預(yù)算的概述如下所示。USB4第2代(10 Gbps)的主機(jī)/器件預(yù)算比USB4第3代(20 Gbps)要小，因此可對(duì)長(zhǎng)達(dá)2m的線纜投入更大預(yù)算。

  主機(jī)/器件預(yù)算 頻率

  USB3.2 Gen2 (10 Gbps)8.5 dB5 GHz

  USB4 Gen 2 (10 Gbps)5.5 dB5 GHz

  USB4 Gen 3 (20 Gbps)7.5 dB10 GHz

  雖然選擇插入損耗和回波損耗盡可能小的ESD保護(hù)器件看似是可取的，且Nexperia可在10 GHz頻率下實(shí)現(xiàn)低至-0.19 dB的插入損耗和-23.5 dB的回波損耗，但射頻性能和鉗位性能應(yīng)實(shí)現(xiàn)平衡：就同一技術(shù)而言，提高射頻性能會(huì)降低鉗位性能。還會(huì)降低ESD保護(hù)器件的魯棒性，但對(duì)于高數(shù)據(jù)速率的收發(fā)器IC，我們?cè)趯?shí)踐中發(fā)現(xiàn)，在ESD保護(hù)器件由于ESD過壓而損壞之前，該收發(fā)器IC通常已經(jīng)因?yàn)槭Ｓ嗟你Q位而損壞。

  Nexperia剛剛發(fā)布了一款針對(duì)高速數(shù)據(jù)線優(yōu)化的新產(chǎn)品系列，該系列具有如下射頻性能：

  αIL @ 10 GHz,

  50 Ohms SE (dB)αRL @ 10 GHz,

  50 Ohms SE (dB)

  PESD5V0R1BBSF -0.19-23.5

  PESD5V0R1BCSF-0.25-19.4

  PESD5V0R1BDSF-0.28-19.0

  相對(duì)于交流耦合電容放置ESD保護(hù)器件

  另一個(gè)重要的選擇是ESD保護(hù)器件的位置。USB 3.2在Rx輸入之前采用了一個(gè)可選交流耦合電容，而該電容則成為USB4?的強(qiáng)制要求。 這樣一來，ESD保護(hù)器件就只能放置在連接器與連接器正后方的交流耦合電容之間(位置1)或交流耦合電容與收發(fā)器之間(位置2)。

  從系統(tǒng)級(jí)ESD保護(hù)的角度來看，位置1顯然是首選位置，原因有兩個(gè)。首先，在該位置可以對(duì)交流耦合電容器提供ESD瞬變保護(hù)。其次，為實(shí)現(xiàn)最有效的ESD保護(hù)，建議在ESD保護(hù)器件和收發(fā)器IC之間設(shè)置盡可能多的線路電感。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，10 mm的附加走線意味著大約3-3.5 nH電感。 為了直觀地看到這種效果，我們比較了兩個(gè)電磁干擾(EMI)掃描儀的測(cè)量結(jié)果，在此過程中，我們使用了帶有兩個(gè)ESD保護(hù)管腳尺寸的USB3板來比較同一ESD保護(hù)器件在這兩個(gè)位置的效率。結(jié)果表明，連接器正后方的保護(hù)位置可顯著降低收發(fā)器IC的電場(chǎng)強(qiáng)度。

  信號(hào)引腳通過TLP脈沖激發(fā)，而EMI電場(chǎng)強(qiáng)度則采用二維形式記錄。左側(cè)板的ESD保護(hù)器件安裝在連接器與收發(fā)器IC之間的中間位置，而右側(cè)板的ESD保護(hù)器件則安裝在連接器正后方的首選位置。這降低了系統(tǒng)中的EMI電場(chǎng)強(qiáng)度，尤其是顯著降低了收發(fā)器IC上的電場(chǎng)強(qiáng)度。

  ESD保護(hù)器件的位置對(duì)保護(hù)器件所需的額定電壓具有直接影響。USB Type-C®連接器允許連接使用USB3.x標(biāo)準(zhǔn)的器件，而該標(biāo)準(zhǔn)允許的最高電壓為2.8 V。如果ESD保護(hù)器件在位置1(連接器的正后方)，則位置1處使用的ESD保護(hù)器件應(yīng)具有高于2.8 V的VRWM額定電壓，正如我們?cè)谥暗陌灼杏懻摰哪菢印?/span>

  綜上所述，USB4是提高最常用接口數(shù)據(jù)傳輸速度路線圖的下一階段。ESD保護(hù)器件能夠以較低的插入損耗和回波損耗支持達(dá)到這些數(shù)據(jù)速率。在10 GHz頻率范圍內(nèi)，保護(hù)器件的低電感開始變得與低電容一樣重要。當(dāng)將保護(hù)器件安裝在連接器的正后方，以充分利用固有的信號(hào)線路電感，保護(hù)交流耦合電容時(shí)，就可以實(shí)現(xiàn)最出色的系統(tǒng)級(jí)ESD性能。在這個(gè)位置，保護(hù)器件的VRWM額定電壓需大于2.8 V，因?yàn)閁SB Type-C®允許將USB3.x接口連接至USB4TM接口，而USB3.x接口規(guī)格允許的最高電壓為2.8 V。