面向USB3.0的新型ESD防护设计
图5为具备ESD防护电路的USB3.0标准A连接器横截面的布局布线设计示例。
具备ESD防护电路的标准A连接器USB3.0布局布线设计建议
图 5：具备ESD防护电路的标准A连接器USB3.0布局布线设计建议。
USB3.0的新型ESD防护策略
持续不断地减小芯片的各个组件的尺寸是降低生产成本、提高工作频率的根本，但与此同时，这种微型化也产生了新的问题(如容易发生ESD击穿)。因此，对提供可靠的ESD防护机制的要求与日俱增。
USB3.0可提供最高5Gbps的数据率，因此基本频率高达2.5GHz。为实现很高的信号完整性，数据信号的上升时间和下降时间必须非常短。对第3谐波或第5谐波的处理，不应发生明显衰减。这些只能通过利用寄生效应最小、半导体开关速度最快的尖端半导体制程才能实现。这种微型化半导体结构的缺点，是对ESD冲击造成的过压的耐受能力降低。采用内置ESD防护装置，会引起寄生效应(寄生电容)，并且需要占用很大的片上空间。
一种十分经济高效的方法，是同时采用内置ESD防护机制(集成到USB3.0收发器中)，以及专为提供外部ESD防护而定制的性能增强(即高电流)应用电路(由器件/电路设计者在电路板上实现)。内置ESD防护机制旨在提供器件级保护，例如，严格遵守HBM JEDEC JESD 22-A115要求。内置ESD防护对在开发、生产和电路板装配过程中安全地拿放器件很重要。专为该应用定制的外部TVS二极管则按照 IEC61000-4-2标准，实现了更加严格的系统级保护。
为提供适当的USB3.0系统级ESD防护，ESD防护器件(TVS二极管)必须满足不同的要求。可参照IEC61000-4-2标准，根据残留箝位电压和TVS二极管对ESD冲击的响应，判断TVS二极管的ESD防护性能。
TVS二极管的ESD防护性能会受TVS二极管的一些特性影响，比如最低R_on(动态电阻R_dynamic)和专为该应用定制的最低V_breakdown。
根据经验，可以计算出箝位电压(V_clamp)：
为确保应用的安全，压敏电压必须与所保护的线路上的最高电源电压和最高信号电平相一致。动态电阻(R_dyn)应当尽可能小。结合最优压敏电压和最低动态电阻，可最大限度地减小IC上的残留ESD应力。
可根据传输线路脉冲(TLP)测定值，推导出动态电阻(图5)。
专为USB3.0超高速模式提供ESD防护而定制的英飞凌ESD3V3U4UL TVS二极管的TLP测定结果
图6：专为USB3.0超高速模式提供ESD防护而定制的英飞凌ESD3V3U4UL TVS二极管的TLP测定结果。
根据TLP测定图，可计算出动态电阻(图6)：
为对USB3.0超高速链路提供静电防护，英飞凌专为该应用定制了一只动态电阻仅为0.3欧姆左右、最高反向工作电压为3.3V(压敏电压最低4V)的TVS二极管(ESD3V3U4ULC)。在测试中，16A的ESD冲击的箝位电压为11V，这在当今市场上的同类产品中堪称佼佼者。
备注：按照IEC61000-4-2标准，所用16A TLP测试脉冲非常适合8KV接触ESD冲击，在30ns点上提供了16A的ESD电流。
为保护另外的USB2.0链路，TVS二极管必须提供稍高一些的反向工作电压/压敏电压。为支持全速和低速模式，必须提供更高的压敏电压，从而形成最高+5V左右的信号振幅。英飞凌ESD5V3U1U和ESD5V3U2U系列可提供最低5.3V的反向工作电压(压敏电压最低6V)，二极管电容典型值为0.4pF。
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