面向USB3.0的新型ESD防护设计

1996年，家喻户晓的通用串行接口(USB1.0)初次问世，它可以支持低速(LS)模式和全速(FS)模式，分别提供1.5Mbps和12Mbps的速率。2000年，USB2.0面市，其新的高速(HS)模式可提供高达480Mbps的速率，并且依然向下兼容低速模式和全速模式。

目前，USB2.0是最普遍的通用外部数据接口之一，且事实上已成为便携式电脑、上网本和台式机等所有计算机系统的标配接口。此外，诸如便携式摄像机、数码相机、MP3播放器、电子游戏机、DVD蓝光播放器和电视机，以及手机和DSL/路由器等消费电子产品，也广泛采用USB2.0接口。

2008年，30亿个带USB2.0接口的新电子设备进入市场。预计2013年将有超过40亿个具备USB接口的新电子设备上市。随着超高速应用的发展，对具有更高数据率的外部接口的需求与日俱增，例如将外部硬盘驱动器连接至计算机。

在市场上，有些系统可提供比USB2.0高速模式480Mbps高得多的数据率。例如，千兆以太网的速度是其3倍左右，外部串行 ATA(eSATA)则可提供3Gbps的数据率(约6倍)。但所有这些系统均不向下兼容USB2.0接口，因为它们采用的是不同的系统方法。

USB3.0系统设计挑战

2008年11月，USB3.0规范发布。USB3.0不仅包含USB2.0的全部功能(HS、FS和LS)，而且可提供名为超高速 (SuperSpeed)的单独的全新超高速数据链路。超高速链路为下载(从主机到设备，被称为发送方向)和上传(从设备到主机，被称为接收方向)提供了单独的差分数据线路。超高速模式可提供的最高数据率为5Gbps(图1)。

USB3.0物理链路在主机侧和设备侧带有ESD防护

图 1：USB3.0物理链路在主机侧和设备侧带有ESD防护。

为同时支持USB2.0功能和新的超高速模式，电缆必须采用新的结构，以提供三条差分耦合信号线(TX+/Tx-、RX+/Rx-和D+/D-)。此外，USB3.0电缆还必须具备Vcc线和GND线。这种低成本的USB3.0电缆所面临的挑战，是需支持很高的截止频率且不会在相邻的差分耦合线对之间形成干扰(图2a)。

USB3.0电缆结构

图 2a：USB3.0电缆结构。

为支持USB3.0电缆所包含的全部线路，必须强制规定采用一种新的连接器形状。新的USB3.0连接器的基本要求，是必须向下兼容USB2.0连接器。从ESD的角度看，这导致标准A连接器的超高速线路很容易发生ESD冲击(在主机侧和设备侧)。一种强有力的对策是在USB3.0链路中实现有效的ESD防护机制。