如何对高速数据接口进行可靠的ESD保护

由于电子应用要求的不断发展，现代的集成电路需要更高的工作频率和更小的封装。因此，现在的电子系统要承受更大的ESD冲击，ESD保护问题变得越来越重要。一般而言，设计者都要求器件的尺寸尽可能最小，但不能影响数字和模拟信号的质量。这两点要求必须与最高等级的ESD保护结合起来。

英飞凌的ESD8V0L系列ESD保护二极管器件的设计灵活，具有尺寸小、电容值小等特点。可以使用这些器件保护高速数据接口，如USB2.0、10/100M以太网、火线(Firewire)、视频、串行/并行以及LAN/WAN接口。这些ESD保护器件的尺寸很小，而且它们符合IEC61000标准(表1)，具有高达25kV接触放电的ESD保护能力。

这些ESD保护器件采用的TSLP封装的外形极其小巧。与SC79相比，TSLP-2-7封装尺寸小，高度低(最大只有0.4mm，其已成为市场的基准)。特别是对于快速发展的移动电话和消费/IT市场(ESD8V0L系列专门针对该市场开发)而言，对高度降低的需求极其重要。因此，使用TSLP封装可以节省空间并提高设计灵活性。

高速能力

对于高频数据传输的数据完整性而言，ESD二极管的电容值是至关重要的特性。图4说明了高速信号线(如USB2.0)怎样轻松地被保护。为了对USB2.0集线器和USB2.0器件进行可靠地ESD保护，必须在两根信号线上都实现ESD保护。

为了通过眼图比较不同ESD二极管电容的效果，根据USB2.0规范对USB2.0测试装置进行评估。采用USB2.0 6号测试模板来展示完整的USB2.0传输链路效果，传输链路从USB2.0驱动器的输出端(发送器输出管脚)开始。该链路装置包含TX和RX侧(每侧为5pF)的PCB电容效应、两个ESD保护电路(集线器和器件上的ESD二极管)、USB电缆(5米长，损耗符合规范)和接收器的输入电容(5pF)。

表1：IEC61000标准的参数列表

图1：ESD8V0L1B-02LRH和ESD8V0L2B-03L

图2：放在糖晶体旁的TSLP封装

图3：SC79与TSLP-2-7的对比

图4：两根信号线的双向保护

如图4所示，USB2.0传输链路的差分数据线应连接至ESD8V0L2B-03L的管脚1和管脚2上。二极管的管脚3接地。由每个二极管产生的线路电容都是4pF，差分线间的电容为2pF。

可通过对每条线路使用一个ESD8V0L2B-03L来进一步降低线路电容。将ESD8V0L2B-03L二极管的管脚1(或管脚2)与USB数据线相连，另一个管脚接地，保护二极管的电容值被降低至2pF。采取这种方式时，管脚3一直保持浮接(未连接)，保护电路如图5所示。第二条USB数据线采用同样方式进行保护。

两种配置都可以卸掉超过IEC61000-4-2标准的15kV接触放电脉冲。如果需要更高的防护能力，建议采用图6所示的英飞凌ESD8V0L1B-02LRH二极管配置。该配置可实现高达25kV接触放电的保护等级。

图5：高速数据线的双向保护，如USB2.0

图6：一根信号线的双向保护

图7：用ESD8V0L2B-03L进行的480Mbps数据传输模拟试验，在每根数据线和接地线之间产生4pF的额外Ctyp

图8：用ESD8V0L2B-03L进行的480Mbps数据传输模拟试验，在每根数据线和接地线之间产生2pF的额外Ctyp

将ESD8V0L2B-03L ESD二极管用于USB2.0数据链路不会影响数据完整性。对于图4和图5所描述的装置，得到的眼图符合USB2.0测试规范，还具有安全的余量，即使USB2.0驱动器和接收器的总容量(包括印刷电路板的影响)达到10pF。另一方面，市场上普遍使用的ESD保护二极管(Ctyp为10pF)可能会在这个USB测试装置中无法通过(图9)。

图9：用传统的10pF ESD保护二极管进行的480Mbps传输模拟试验

替代多层变阻器

多层变阻器不具备技术驱动应用中安全所需的高性能和高品质。使用变阻器的设计者必须处理性能下降的影响以及高的、不精确的钳位电压，这会导致IC损坏和电路故障的风险。与ESD保护二极管相比，变阻器的另一个主要劣势是高泄漏电流，这在移动通信应用中是不能接受的。此外，在生产过程中，对采用TSLP封装的ESD保护二极管的操作是很容易的，而多层变阻器经常会面临焊接和良品率下降的问题。

供稿：英飞凌科技公司