- 高速數(shù)據(jù)線路對(duì)保護(hù)器件的要求
- PESD器件的特點(diǎn)與應(yīng)用
- 具有極低電容值的ESD抑制
- POE技術(shù)應(yīng)用于數(shù)據(jù)線
- 選用適合GDT作為第一級(jí)雷擊防護(hù)
Ethernet這一全球應(yīng)用最為廣泛的局域網(wǎng)技術(shù)在不斷更新：802.3ae的出現(xiàn)使10Gbps的速率已成為主流廠商研究目標(biāo)；LAN和WAN的融合使其應(yīng)用場(chǎng)所已不再局限于室內(nèi)；POE技術(shù)賦予以太網(wǎng)絡(luò)新的含義。在更高速率的呼聲中，USB3.0標(biāo)準(zhǔn)山雨欲來風(fēng)滿樓，新版IEEE1394也來勢(shì)洶洶。所有這些都使未來數(shù)據(jù)通訊成為一個(gè)高速的世界。
隨著行業(yè)的匯聚聯(lián)合，對(duì)數(shù)據(jù)端口傳輸速率要求的增高，制造商必須對(duì)設(shè)備需求作出響應(yīng)，以便容納更高的數(shù)據(jù)率以及符合當(dāng)前和擬議中的通信需求。另外，保護(hù)昂貴的設(shè)備不會(huì)受到因用戶錯(cuò)誤操作、環(huán)境危害或電源變化所引起的致命的損壞也是一項(xiàng)關(guān)鍵的設(shè)計(jì)課題。
以太網(wǎng)口、USB2.0、IEEE1394、ITV應(yīng)用和操作中使用的數(shù)字式可視接口(DVI)和高清晰度多媒體接口(HDMI)協(xié)議允許高速數(shù)據(jù)傳輸率，并可以支持即插即用熱插拔安裝和操作。但這些外部端口很容易受到來自工作環(huán)境和周邊設(shè)備的破壞性的ESD脈沖的傷害。
ESD抑制器件除了保護(hù)數(shù)據(jù)傳輸線路之外，必須保持其信號(hào)的完整性。部分以太網(wǎng)端口由于用于樓宇之間，有遭受雷擊感應(yīng)被損壞的危險(xiǎn)，附近電力線的影響也不容忽視。防雷元器件除了保護(hù)網(wǎng)絡(luò)后端的PHY不被擊穿之外，也必須保持信號(hào)傳輸中不會(huì)掉包。POE技術(shù)由于會(huì)疊加在信號(hào)雙絞線上，這給此類過壓防護(hù)帶來新的挑戰(zhàn)。
通常，較為流行的用戶端以太網(wǎng)聯(lián)接支持100Mbps的數(shù)據(jù)傳輸；USB2.0支持480Mbps的數(shù)據(jù)傳輸；DVI和HDMI協(xié)議更是分別支持高達(dá)8Gbps和5Gbps的數(shù)據(jù)傳輸帶寬。在Ethernet、USB2.0、DVI和HDMI的高速數(shù)據(jù)率下，傳統(tǒng)保護(hù)裝置的寄生電容可能破壞信號(hào)的完整性或令其失真。失真表現(xiàn)為由較慢的上升和下降時(shí)間所致的高態(tài)／低態(tài)瞬變的前沿和后沿被修圓。
上升和下降時(shí)間較慢會(huì)給系統(tǒng)帶來一些問題，其中最重要的是時(shí)序問題。電路在特定的時(shí)間需要穩(wěn)定的“高”態(tài)和“低”態(tài)。隨著各狀態(tài)之間過渡時(shí)間的增加，電路有可能檢測(cè)到不完整的過渡期，從而將數(shù)據(jù)誤差引入系統(tǒng)。表1是不同寄生電容ESD抑制器件對(duì)數(shù)據(jù)上升沿時(shí)間(10%至90%高電平)所造成的影響比較。
傳輸速率為12Mbps時(shí)，其保持電平的時(shí)間要長(zhǎng)得多(80ns)。在此數(shù)據(jù)傳輸率條件下，1OpF或更小的電容值將使得數(shù)據(jù)通過時(shí)的失真最小。當(dāng)傳輸速率提高到480Mbps時(shí)，信號(hào)具有短得多的電平保持時(shí)間(2.0ns)。此時(shí)1OpF電容的ESD抑制器件已經(jīng)引起波形失真：它減少了電平保持時(shí)間并使前沿和后沿的形狀大為改變。而660pF電容的ESD抑制器件則造成了相當(dāng)大的失真，以致于波形甚至無法達(dá)到信號(hào)工作電壓。圖1顯示了不同ESD抑制器件對(duì)480Mbps數(shù)據(jù)波形的影響。
圖1.器件電容對(duì)信號(hào)波形的影響
這些數(shù)據(jù)揭示了在進(jìn)行超高速系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸線路保護(hù)時(shí)抑制器的電容特性的重要性。盡管現(xiàn)有的各種抑制器均能夠提供有效的ESD或雷擊保護(hù)功能，但不能以犧牲系統(tǒng)的信號(hào)完整性為代價(jià)。因此，在把抑制器引入電路設(shè)計(jì)之前，必須對(duì)其電容有所考慮。
具有極低電容值的ESD抑制元件(如PESD器件)以及具有極低電容值的雷擊解決方案能夠在提供保護(hù)功能的同時(shí)保持高速數(shù)據(jù)信號(hào)的數(shù)據(jù)完整性。由于傳輸最高速率的不同，不同的數(shù)據(jù)接口所能接受的最高電容是不一樣的。
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譬如，理想U(xiǎn)SB2.0數(shù)據(jù)線上的寄生電容總量一般要求控制在10pF以內(nèi)，而DVI或HDMI數(shù)據(jù)接口要求則更低，通常低于1pF。但由于設(shè)計(jì)余量以及其他電子器件寄生電容的影響，對(duì)抑制器件電容值的要求更為苛刻。
高速信號(hào)和瞬變(如ESD)還帶來了另一個(gè)寄生特性—電感。尤其值得關(guān)注的是用來實(shí)現(xiàn)連接器、芯片及其他任何配套元件之間互連的電路板上跡線的寄生電感。與電容效應(yīng)相似，由電路板跡線所產(chǎn)生的電感將不會(huì)影響低頻信號(hào)。但是，在高速條件下，這種電感將產(chǎn)生有可能影響信號(hào)完整性的阻抗分量。當(dāng)高頻信號(hào)(如ESD)通過時(shí)，少量的跡線電感可能轉(zhuǎn)換成巨大的阻抗。
ESD防護(hù)中，設(shè)計(jì)師可通過在ESD抑制器和受保護(hù)芯片之間設(shè)置盡可能大的距離的方法來利用上述特性來完善ESD器件和IC本身間的協(xié)同、耦合。雷擊防護(hù)中，由于浪涌中的高速頻率成分并不多，寄生電感的阻抗影響較小。這就需要在雷擊防護(hù)器件間加入一定的耦合元素。
以太網(wǎng)雷擊防護(hù)中，情況略微復(fù)雜。這是由于相對(duì)于ESD，雷擊能量較高，作用時(shí)間長(zhǎng)，防護(hù)時(shí)有時(shí)需要多種防雷器件協(xié)同保護(hù)。同時(shí)又要考慮這些防雷器件的電容，耦合器件對(duì)阻抗匹配的影響，以及數(shù)據(jù)線間平衡度的要求。如果再加上POE技術(shù)應(yīng)用于數(shù)據(jù)線上，又需考慮防雷器件的“誤動(dòng)作”，以及耦合器件在工作電流下的功耗和壓降等因素。通常的防護(hù)概念普遍如此：
圖3.泰科電子瑞侃PESD器件的ESD抑制曲線。
首先利用GDT（氣體放電管）的低電容，高通流量，但防護(hù)效果“粗”的特點(diǎn)，選用適合的GDT作為第一級(jí)雷擊防護(hù)；其次選用低電容，防護(hù)效果“細(xì)”的半導(dǎo)體器件組合作為第二級(jí)雷擊防護(hù)；最后可在以太網(wǎng)隔離變壓器次級(jí)選用極低容值反應(yīng)迅速的ESD防護(hù)器件作為“精密”防護(hù)。在一二級(jí)防護(hù)器件間的耦合器件有時(shí)還要承擔(dān)起過流保護(hù)的職責(zé)，它的選擇也很關(guān)鍵。
泰科電路保護(hù)部門擁有符合標(biāo)準(zhǔn)的高品質(zhì)GDT全系列；晶閘管，SibarTM系列，可在特殊半導(dǎo)體組合下承擔(dān)起二級(jí)防護(hù)功能；極低電容的pESD系列可在充足保護(hù)功能下，提供給工程師更大的設(shè)計(jì)空間。在提供品質(zhì)優(yōu)秀的多數(shù)防護(hù)產(chǎn)品同時(shí)，電路保護(hù)部門可針對(duì)客戶的不同要求，提供高性價(jià)比的一攬子解決方案，以及快速的相關(guān)技術(shù)服務(wù)。
ESD的防護(hù)對(duì)于高速率傳輸端口尤為重要。眾所周知，由半導(dǎo)體技術(shù)決定，處理數(shù)據(jù)越快，芯片對(duì)靜電越敏感。對(duì)這些端口的靜電保護(hù)，要考慮的因素也比較多。
低電容ESD保護(hù)對(duì)于高速條件下保持?jǐn)?shù)據(jù)的完整性是非常關(guān)鍵的。在常見的瞬間過電壓抑制器件中，金屬氧化物壓敏電阻(MOV)和多層壓敏電阻(MLV)因價(jià)廉物美而應(yīng)用廣泛。但其固有的高電容決定了其應(yīng)用范圍只能局限于低頻領(lǐng)域和電源的瞬間電壓抑制上。而硅類ESD防護(hù)器件，包括齊納二極管、TVS二極管／陣列等，雖然具有保護(hù)電壓低而準(zhǔn)確的優(yōu)點(diǎn)，其寄生電容依舊不可忽視，通常難以適用于高速數(shù)據(jù)通訊接口，如HDMI,IEEE1394等。
圖4.泰科電子瑞侃PESD器件的插入損耗曲線。
為滿足高速數(shù)據(jù)通訊接口既ESD保護(hù)有效、又不影響高速信號(hào)傳輸?shù)囊?。近年來，市?chǎng)上推出了多種專門適用于此類保護(hù)要求的器件。其中以泰科電子瑞侃電路保護(hù)部推出的PESD器件為代表。該器件的電容極低(通常0.25pF，圖4、圖5展示了PESD的高頻特性)，漏電流極小(<0.001A)；ESD防護(hù)快速有效（響應(yīng)曲線如圖3所示，觸發(fā)電壓典型值為150~250V；響應(yīng)時(shí)間少于1ns）；價(jià)格低于低電容硅器件。因此，在高速數(shù)據(jù)傳輸條件下，PESD器件擁有更佳的保護(hù)應(yīng)用特性。該器件已成功應(yīng)用于HDMI1.3和USB2.0等多種高速接口電路。[page]
圖5.泰科電子瑞侃PESD器件在3.4GHz下的眼圖。
圖6、圖7和圖8展示了利用電路保護(hù)部門PESD器件對(duì)HDMI1.3、USB2.0和IEEE1394接口電路進(jìn)行保護(hù)的典型應(yīng)用。這些保護(hù)將ESD與敏感電路隔離。在傳輸線路脈沖(TLP)測(cè)試和IEC61000-4-2測(cè)試中，尤其是經(jīng)過多次采樣（1000次TLP測(cè)試）后，其性能要比其他可比較的元件好。
相對(duì)于其他典型的聚合物ESD防護(hù)器件，這類PESD器件的較低觸發(fā)電壓(通常150V)和低箝位電壓(通常25V)能更好的幫助保護(hù)敏感電子元件。該器件采用電子工業(yè)中最流行的0603和0402貼裝形式，符合RoHS的嚴(yán)格要求；幫助機(jī)頂盒敏感電路、手提電腦、手機(jī)和其它便攜式設(shè)備免ESD侵害。
圖6.HDMI接口電路中典型的ESD防護(hù)設(shè)計(jì)原理圖(基于HDMI技術(shù)規(guī)范版本1.2)。
圖7.采用泰科電子瑞侃PESD靜電抑制器和PolySwitch過流保護(hù)裝置的典型USB2.0接口電路。
圖8.IEEE1394電路保護(hù)典型設(shè)計(jì)圖。
當(dāng)選擇了一個(gè)抑制和電特性(漏電流、電容)與電路參數(shù)相吻合的ESD抑制器之后(如PESD)，還需要作出另一項(xiàng)選擇：抑制器應(yīng)安裝在電路板的什么位置上才能優(yōu)化電路的ESD保護(hù)?“優(yōu)化”ESD保護(hù)指的是使受保護(hù)芯片上的ESD瞬變盡可能少。簡(jiǎn)單地講，應(yīng)把ESD抑制器直接放置在連接器的后面。它應(yīng)該是第一個(gè)遭遇ESD瞬變的板級(jí)元件。
然后，在實(shí)際可行的情況下，任何需要保護(hù)的芯片均應(yīng)盡可能地遠(yuǎn)離ESD抑制器。采取這一方法將極大地減輕集成電路所承受的應(yīng)力。下面列出的是PESD器件安裝位置的相對(duì)優(yōu)先級(jí)，按從高到低的順序排列如下：
- ?設(shè)置于作為系統(tǒng)屏蔽(機(jī)殼)中的入口的連接器的內(nèi)部
- ?安放于電路板跡線與連接器插腳相互作用的位置
- ?放置于電路板上緊挨在連接器后面的位置
- ?位于可以高效耦合至I／O線路的性能穩(wěn)定且未受保護(hù)的傳輸線路
- ?設(shè)置于數(shù)據(jù)傳輸線路上的一個(gè)串聯(lián)阻性元件之前
- ?位于數(shù)據(jù)傳輸線路上的一個(gè)分支點(diǎn)之前
- ?靠近IC和／或ASI
與電路板走線相關(guān)聯(lián)的電感以及任何的封裝寄生電感都將在保護(hù)電路中加入阻抗，成為PESD電壓抑制器和IC間的耦合阻抗。因?yàn)镮C芯片將要承受抑制器兩端和耦合阻抗兩端的電壓之和，理想的設(shè)計(jì)應(yīng)使PESD盡可能多承受應(yīng)力，同時(shí)保證兩級(jí)防護(hù)間沒有遺漏的“死角”。
機(jī)殼(框架)的地應(yīng)是ESD基準(zhǔn)，而不是信號(hào)(數(shù)字)地。目的是把ESD從信號(hào)環(huán)境中屏蔽出去。使ESDTVS保護(hù)器件以機(jī)殼的地為基準(zhǔn)，可免受不希望的噪聲效應(yīng)(如接地反跳)的影響。目標(biāo)是盡量保持“干凈”的信號(hào)(數(shù)據(jù))環(huán)境。
