面向USB3.0的新型ESD防护设计
USB3.0电缆结构
图 2a：USB3.0电缆结构。
超高速数据传输系统面临的一个最严峻的问题,是确保在接收端实现一定程度的信号完整性。很高的信号完整性有助于实现很低的误码率(例如,对于 USB3.0超高速模式，典型误码率为1E-12)。眼图描述了信号完整性的特性。在拥有无限带宽的完美系统中，眼图完全张开。在实际的系统中，发送和接收阻抗(90欧姆差分阻抗)以及发送侧和接收侧的所有寄生电容，限制了信号的上升时间/下降时间。这些寄生电容存在于USB3.0收发器内部和/或PCB 外部。不匹配的PCB线路、USB3.0连接器或其它并联电容器等，均会造成外部寄生电容。因此，这些额外的并联电容器必须尽可能小。还必须考虑到USB3.0电缆的低通频率响应(图2b)。为抵消高频内容的衰减，可在发送侧和接收侧利用专用均衡器改变信号。这些措施均有助于加快信号上升和下降边的速度，从而得到张得更开的眼图(即更高的信号完整性)(见图3a和图3b)。
为实现适当的信号完整性性能，TVS二极管的电容必须很低，但TVS二极管也必须提供较高的ESD包含水平。
图4a、b为整个USB3.0链路的眼图模拟图(误码率为1E-6)。在图4a中，所用的接收信号是在未经接收端均衡器处理之前。在图4b中，所用的接收信号是经接收端均衡器处理之后。红色的内轮廓线所示为用外推法得到的误码率为1E-12时的眼图张开程度。红紫色轮廓线为USB3.0技术规范中规定的超高速一致性测试的有效值。比较这两个眼图，在接收端使用均衡器的效果显而易见。
图4a：未经接收端均衡器处理之前的信号眼图。 图4b：经接收端均衡器处理之后的信号眼图。
图4a：未经接收端均衡器处理之前的信号眼图。 图4b：经接收端均衡器处理之后的信号眼图。
超高速链路和USB2.0传输链路采用了差分耦合90欧姆线路。链路内部的阻抗不匹配造成的信号反射会降低信号完整性。为避免出现这种情况，包括USB3.0电缆在内的整个布局设计，应当实现90欧姆差分阻抗匹配。
为尽量减少斜率下降，并且提供相同的延迟时间，所有差分耦合线路均必须为相同的长度。对USB3.0电缆而言，这一点尤为重要。斜率下降的多会降低信号完整性，从而导致所谓的“差模共模信号转换”。所产生的共模信号会影响EMI测试的顺利进行。阻抗匹配的适当布局设计，能避免这些问题。
USB3.0超高速链路和USB2.0链路的布局布线考虑
在整个USB3.0链路的布局布线设计中，应考虑下列因素：(1)所有PCB线路和互连电缆均采用完全阻抗匹配的90欧姆差分设计。(2)必须最大限度地减少非差分耦合线路。(2)非差分耦合线路会严重影响眼图的内眼张开程度。(3)90欧姆差分耦合PCB线路的线路宽度和线路间隔不应太窄，以避免造成额外的损耗，同时便于生产。从生产的角度而言，差分线路的理想线路宽度为0.3毫米，线路间隔为0.2毫米，这会形成200微米的电介质高度(假设FR4，且er=4)。(4)差分耦合链路的正电和负电线路(包括USB3.0电缆)之间的延迟(线路长度)完全相同(最大限度地减少斜率下降)。对于保持很高的信号完整性和避免生成共模信号，这一点很重要。
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