高频数据传输接口电路保护方案设计

高频数据传输接口电路保护方案设计

IC制程技术的不断发展、高速数据传输接口的大行其道，使得相关的ESD防护变得日益困难。对更快处理速度和更高功能密度的强烈需求，推动IC制造者进一步缩减MOS元件的最小尺寸，尤其当制造技术转向90nm以下时，IC芯片体积越来越小、密度越来越高、功能越来越复杂，而其使用的电磁环境却日趋严酷，也使其更易遭受ESD、过压及过流的损害。同时，各种高速接口的持续发展，特别是便携式多媒体设备的高速成长，使得数据的高速传输成为必然。而怎样才能在保护接口安全的同时保证数据的高速传输，已然成为高频数据接口面对的难题。

不同接口的电路保护要求

在目前的主流接口中，USB的使用最为广泛，最新的USB3.0更是会支持高达5Gbps的传输速度。当传输速度提升到如此高时，信号的保持时间仅有 200ps，此时传统的高电容MLV、TVS等器件将无法用于ESD保护，高寄生电容将严重引起信号波形失真：它减少了电平保持时间，令信号上升和下降沿大为改变，以至于信号无法达到正常的工作电平。与之相比，HDMI1.3标准将早期HDMI1.0-1.2的数据传输速率提高了一倍，达到每对差分信号 3.4Gbps。要达到如此高的数据传输速率，低电容和出色的电路板设计将成为充分保证信号完整性的关键。

新型 DisplayPort接口也正在被许多个人电脑、监视器、投影仪以及其他显示内容(播放)源设计所采用。DisplayPort接口在高达 2.7Gbps的速率下工作，这比原来的视频/多媒体互联标准高得多，因此也面临着同样的挑战。硬盘驱动器、电脑和机顶盒厂家正在向E-SATA (外部串行ATA)标准看齐，把它作为在存储设备之间传递视频的快速方式，最新SATA3.0标准最新定义的最高传输带宽将高达6Gbps。E-SATA 技术对ESD的需求与HDMI及DisplayPort十分相似，E-SATA的热插拔性质使得高等级ESD保护变得尤为关键。

图1.不同高速接口的信号速度要求比较

可见，对于设计人员来讲，高速接口电路保护设计的复杂性及难点来自于工作速度，很多设计人员对于各种各样的速度表达方式感到无从下手。

以 HDMI1.3和DisplayPort为例，HDMI1.3一般是指在340Mpixel/s下按最高10Gbps的数据传输速度工作，这里的最高传输速度表示接口将根据所连接的发生器和接收器的视频能力而改变其时钟速率。被连接的两种设备的分辨率或颜色深度越高，时钟频率就越高。比如，高清视频在 1,080p模式下就比在1,080i模式下要处理的数据信息多，时钟速率也更快。实际工作时，HDMI的工作速度取决于发射器和接收器的能力以及播放源的分辨率和颜色深度。图１所示为常用高速接口的TMDS的最高工作速率。

DisplayPort标准规定了两种工作速度：1.62GHz和2.7GHz。设计人员可以根据具体用途和成本因素选择较低的工作速度，而较高的速度可以使刷新速度更快、分辨率更高、颜色深度更丰富。

有些情况下也有可能实现具备两种速度的设计。最新USB 3.0规范大大增加了对低电容ESD器件的需求。USB 3.0在现有USB 2.0上增加了两个高速差分信号对。由于收发差分信号对最高可在5GHz下工作，USB 3.0要求信号比DisplayPort快50%。按照这种速度，任何附加电容都会影响眼图，从而影响与USB 3.0规范的相符性。

以上高速数据传输接口电路保护的主要困难是，保护器件的过大寄生电容会造成一定程度的信号衰减，从而降低显示质量。因此，ESD器件要根据其所保护的电路接口的信号频率，选择足够低电容以及稳定ESD分流能力的ESD器件，并在元件尺寸、ESD保护性能以及实现的便利性之间进行取舍。在高速数据接口电路上添加ESD保护时，必须考虑外加电容和电感对高速差分信号的时序影响。当USB3.0在高达5GHz的速度下工作时，线路上任何额外阻抗都有可能会使信号失真，导致其难以满足规定眼图中的信号上升时间和维持信号电平。

选择合适的ESD保护器件

高速信号的时序性能一般用眼图进行测量，眼图是一种用来精确显示时序和点评误差的分析工具。如图2所示，眼图中间的灰色部分代表高速差分信号的电气规格。当线条逐渐侵占灰色部分，误差余量变得越来越小。眼宽度是代表数据线稳定时间以及是否存在误差的理想指标。眼高度则表示信号电平或振幅。由于TMDS对为差分信号，尽量减小差分电容和信号-对-地电容十分重要，这样才能保证信号的上升时间和下降时间符合要求。最理想的情况是，电容足够低，以给设计人员的足够的设计余量。

图2 在3.4GHz下工作的泰科电子0.25pF PESD器件的眼图

为满足高速数据通信接口既使得ESD保护有效、又不影响高速信号传输的要求。近年来，市场上推出了多种专门适用于此类保护要求的器件，例如泰科电子瑞侃电路保护部推出的高分子ESD抑制器件PESD，以及低电容硅类ESD器件SESD。PESD器件的电容极低，典型值0.25pF，漏电流极小 (<0.001A)；ESD防护快速有效, 价格低于低电容硅器件。泰科电子推出的低电容硅类ESD器件包括0201封装，典型电容为0.6pF的SESD0201C-006-058, 0402封装，典型电容为0.5pF的SESD0402S-005-054。

图2展示了泰科电子0.25pF PESD器件在3.4GHz下工作(HDMI 1.3)的眼图性能，如图所示，当接口传输速度高达HDMI1.3定义的最高3.4GHz时，采用泰科电子PESD静电保护元件的信号在传输过程中，在信号上升时间、下降时间以及信号电平上都有足够裕量，能够保证数据正常传输不受影响。

覆盖较宽频率范围的低插入损耗和稳定的电容，也对实现保护充分、节省成本和信号衰减最小这一最终目标具有重要影响。插入损耗是衡量信号衰减-频率关系的一个重要指标。插入损耗过高会降低设备和系统带宽，对满足眼图电平带来额外的设计约束。

ESD 保护器件的电容与频率特性也可能影响高速端口的设计性能，从而增加设计约束。在高速系统中，针对某特定电容而设计的电路可能因采用的ESD保护方法不同而表现不同，这就迫使设计人员在构思HDMI电路保护机制时不得不使用复杂的软件过程改进与能力测定(SPICE)模型和仿真手段。图3，图4展示了泰科电子两种用于高速数据传输接口保护E的SD器件在高频传输速率下的插入损耗。

图3 泰科电子瑞侃PESD器件的插入损耗曲线

图4 泰科电子瑞侃SESD器件的插入损耗曲线

泰科电子的PESD相对于其它的聚合物ESD保护器件，具有较低触发电压和箝位电压、耐受ESD冲击、寿命长等特点；SESD相对于聚合物PESD 元件，电容略高(0.6pF)，但其触发电压与箝位电压相对更低，对于极其敏感的IC具有更好的防护作用。泰科电子推出的这两款产品可以完全覆盖高速数据传输接口的保护，设计者可以根据保护等级、接口电路的工作频率、元件尺寸、成本以及实现的便利性等进行选择。这两个系列的产品采用了电子工业中最为流行的 0603、0402以及目前最小的0201封装，符合RoHS严格要求，能够帮助机顶盒敏感电路、手提电脑、手机和其它便携式设备免ESD侵害。

PPTC过流保护

出于安全和调整考虑，HDMI、USB和DisplayPort规范也要求终端用户可接触的供电连接器实现过流保护。过流保护器件必须可以复位而无须用户机械干预，为防止误动作，其预设动作极限必须高于允许的瞬变电流，同时要求保护元件的常态电阻足够低，以免造成太多的压降。聚合正温度系数(PPTC)器件在各种高速接口应用中的效果已经得到证明。与传统熔断器一样，当电流超过规定极限电流时它们将限制回路电流。但是，与熔断器不同的是，PPTC可以在故障清除、电源重新上电后复位。PPTC器件具有电阻低、动作时间快和外形尺寸小的特点，使其成为许多供电总线架构中过流保护的首选方法。

不同于HDMI和DisplayPort，USB接口通常用来为便携电子产品提供电源、充电等功能。因此，对于采用USB接口供电或充电的下游设备，会受到感应式电压尖峰，错误充电器，反向偏压导致的危害。泰科电子的polyZen元件是聚合物保护的精密齐纳二极管微型集成模块，由一个稳定的箝位电压精准的齐纳二极管和一个非线性聚合物PTC(正温度系数)组合而成，PTC通过由低阻态向高阻态转换，从而对二极管过热或过电流故障作出响应。PolyZen元件具有可复位式防止大功率故障事件的特点，同时只有0.7W功耗。二极管过热或过电流发生时，PTC“动作”从而限制电流并产生压降，帮助保护齐纳二极管及其后面的电子设备，从而有效提高该二极管的功率处理能力。

图5、图6和图7展示了采用泰科电子ESD器件、MLV器件，PolySwitch过流保护器件，PolyZen过流过压保护器件设计的HDMI1.3、USB3.0和Display port接口保护电路示意图。