USB 2.0高速端口的ESD保护

如今的电子系统中越来越多地采用以CMOS工艺制造的低功率逻辑芯片。这些芯片如果遭遇足够高的静电放电(ESD)电压，芯片内部的电介质上就会产生电弧，并在门氧化物层烧出显微镜可见的孔洞，造成芯片的永久损坏。 通用串行总线(USB)高速数据应用也十分普遍，用户在热插拨任何USB外设时可能会导致ESD事件。此外，在离导电面几英寸的地方也可能发生空气放电，可能损坏USB接口及芯片。因此，人员必须为USB元件提供ESD保护。 业界制定了不少针对不同瞬态干扰的ESD，比如针对系统级ESD事件的IEC61000-4-2国际标准。另外还有一些元器件级的ESD敏感度测试标准，如人体模型(HBM)和机器模型(MM)等。USB 2.0高速数据线路应用的半导体ESD保护元件应当具备下列重要特性： 极低电容：将USB 2.0高速数据线路(480 Mbps)中的信号衰减减至最小； 快速动作响应时间(纳秒级)：在ESD脉冲信号快速上升时保护USB元件； 低泄漏电流：将额定工作条件下的功率消耗减至最低； 强固性：能够承受很多次的ESD事件冲击而不受损伤； 小封装：集成型更小封装 本文介绍安森美半导体的新的低电容瞬态电压抑制器(TVS)二极管阵列NUP4114UPXV6的主要特性，并讨论如何为USB 2.0高速数据线路提供有效的ESD保护。 NUP4114UPXV6的特性及配置选择 NUP4114UPXV6是一款非常适合USB 2.0高速数据线路ESD保护的TVS二极管阵列。该器件具有0.8pF的极低电容(I/O线路与地之间的典型电容)，能将USB 2.0高速数据线路中的信号衰减降至最低。该器件满足13 kV接触放电的系统级IEC61000-4-2标准，并能承受人体模型3B类(超过8 kV)和机器模型C类(超过400V)的CMOS器件级ESD额定脉冲，具有强固的ESD保护性能。此外，它采用SOT563封装，尺寸仅为1.6×1.6×0.55mm，非常适合计算机、手机、MP3播放器等应用中的USB2.0高速数据线路及其它高速应用的ESD保护。 NUP4114UPXV6能够保护多达4条数据线路，驱使瞬态过压达到钳位参考点，让应用免受瞬态过压条件影响。无论什么时候，只要受保护线路上的电压超过参考电压(Vf或VCC+Vf)，器件中的控向(steering)二极管将正向偏置。这些二极管会迫使瞬态电流不经过敏感的CMOS芯片，而从其旁路流过。 在保护应用中，数据线路连接至这器件的引脚1、3、4和6。负参考连接至引脚2，且该引脚必须通过接地层(ground plane)直接连接至地，从而将印制电路板(PCB)的接地电感降至最低。为将寄生电感降至最低，尽可能缩短走线(trace)长度也非常重要。 NUP4114UPXV6有3种配置选择。配置选择1采用VCC作为参考，保护4条线路及电源(图1)。在这种配置中，引脚5直接连接至正电源输入端(VCC)，数据线路以电源电压为参考。内部的TVS二极管防止电源输入端上出现过压。控向二极管的偏置可降低它们的电容。 点击下载清晰大图 配置选择2采用偏置及电源隔离电阻来保护4条数据线路。该器件可在引脚5与VCC之间串联10kΩ电阻实现与电源隔离。这将在内部TVS及控向二极管上维持偏置，并降低它们的电容。 配置选择3采用内部TVS二极管作为参考来保护4条数据线路。在缺乏正电源参考的应用，或是需要完全隔离型电源的应用中，可以采用内部TVS作为参考。在这些应用中，引脚5不连接。采用这种配置时，只要受保护线路上的电压超过TVS工作电压与一个二极管压降的和(VC= Vf +VTVS)时，控向二极管导通。 利用NUP4114UPXV6保护USB 2.0高速数据应用 USB端口由4条线路组成，其中D+和D-用于双向数据传输，其余2条线路用于总线电压及接地。图2是NUP4114UPXV6为USB2.0高速数据应用提供ESD保护的电路图。