USB 3.0 har tio gånger högre överföringshastighet än USB 2.0. Men det innebär också ökad känslighet för ESD och större krav på ett ESD-skydd som inte försämrar signalintegriteten. Jeremy Correale från ON Semiconductor tittar här på hur problemen kan lösas.

USB 3.0 kan uppnå dataöverföringshastigheter uppåt 5 Gbit/s, vilket är 10 gånger snabbare än USB 2.0. Detta bidrar till att tillgodose konsumenters kraftigt ökande efterfrågan att komma åt och dela media av hög kvalitet, som video, musik och foton.

De chipset som stöder USB 3.0-gränssnitt har små processgeometrier och kapslar och möjliggör utvecklingen av små, bärbara och funktionsrika mediaprodukter med lågt effektbehov och hög datahastighet. Men enheter med både supersnabba datalinjer och små geometrier har ökad känslighet för elektrostatisk urladdning (ESD). Denna artikel tittar på ESD-skydd och impedansanpassning speciellt för USB 3.0-gränssnitt för att säkerställa tillförlitlig höghastighetsöverföring.

För att USB 3.0 skall klara en datahastighet på 5 Gbit/s har två differentiella datapar (Superspeed Tx och Rx) lagts till USB 2.0:s datapar (D + och D-). Dessutom är de styrkretsar som stöder USB 3,0 baserade på halvledarprocesser så små som 22 nm. Ökningen i frekvens, jämfört med USB 2.0, skapar ett strikt matchande impedansfönster som måste uppfyllas när man placerar ett externt ESD-skydd på Superspeed-linjerna. Varje liten kapacitans som läggs till signalledningen kan ändra dess impedans och därmed försämra den totala signalintegriteten i transmissionen. Fig 1 visar en kretsrepresentation av en förlustfri transmissionsledning där den nominella impedansen representeras av Z0.

Fig 1. Förlustlös transmissionsledning – ekvivalent krets

Denna transmissionsledningsmodell kan appliceras på datalinjer som finns i nästan alla moderna seriella höghastighetsgränssnitt. Modellen kan också användas för att utvärdera effekten av att placera ett ESD-skydd på dataledningen (eller linjer). I sin mest grundläggande form kan ett ESD-skydd vara en zenerdiod som placeras på den dataledning den skall skydda. Denna diod har en tillhörande kapacitans och en liten serieinduktans från de interna bondningstrådarna, vilka blir parasiter till datalinjen som visas i fig 2. Eftersom induktansen hos en typisk bondningstråd i en ESD-skyddskomponent är typiskt ≤1 nH och kapacitansen hos ESD-skyddskomponenten måste vara ≤1 pF kommer impedansen av induktorerna i fig 2 att vara klart mindre än impedansen av kapacitansen för en 2,5 GHz USB 3.0-signal. Det innebär att induktansen kan ignoreras i denna diskussion.

Fig 2. Parasitisk modell av ESD-skyddskomponent

När spänningen på datalinjen ändras krävs en liten mängd ström för att ladda parasitkondensatorn. Vid höga frekvenser, då spänningen på signalledningen förändras snabbt, kan denna extra laddningsström vara betydande, vilket minskar strömmen utmed dataledningen. Denna minskning medför en liten förändring i signalledningens impedans och påverkar mängden ström på dataledningen.

Om förlusten är betydande kommer dataledningens signalintegritet att försämras. USB 3.0-specifikationen tillåter max 1.1 pF parasitkapacitans (detta innefattar även kapacitans i systemet som är utanför USB-styrkretsen). ESD-skyddsanordningar utgör bara en bråkdel av den externa kapacitansen i systemet. När man ska välja sådana anordningar bör man alltid ha i åtanke att lägre kapacitans i skyddsanordningen inte bara bevarar signalintegriteten på datalinjerna utan tillåter också en större kapacitans på övriga delar i systemet.

Nästan alla leverantörer av ESD-skyddskomponent anger junction-kapacitans vid 1 MHz. Några gör det för högre frekvenser också. Kapacitansmätning på flera frekvenser bör övervägas för att få en bra representation av den aktuella enhetens kapacitans i en höghastighetstillämpning.

I USB 3.0 motsvarar detta en mätning vid grundfrekvensen 2,5 GHz och dess tredje överton på 7,5 GHz. Som för alla kondensatorer kommer kapacitansen att variera med den frekvens vid vilken den används på grund av dess egen parasitresistans, kallad den ekvivalenta serieresistansen (ESR). Impedansen hos kondensatorn kommer att vara kapacitiv med lågt ESR vid låga frekvenser och fortsätter att minska tills kondensatorresonansfrekvensen uppnås. När resonans är nådd, blir impedansen hos kondensatorn mer induktiv allteftersom ESR ökar.

Signalförlust på grund av reflektion vid skyddselementet är en annan viktig parameter – detta uttrycks ofta i termer av returförlust. Returförlust mäter hur mycket förlustenergi som uppkommer när vågen reflekteras av testobjektet. Ju lägre ESD-skyddsenhetens returförlust är, desto färre reflektioner uppkommer – vilket innebär mer överförd signal. Många ESD-skyddsanordningar på marknaden kommer att ha en dramatisk ökning av parasitkapacitans över 5 GHz beroende på att impedansen når resonans och blir induktiv.

Det är viktigt att förstå de viktigaste parametrarna för ESD-skyddsanordningar som påverkar impedansen på datalinjen. Kombinationen av avancerade ESD-skyddsanordningar med bra kretskortslayout gör det möjligt att införliva skyddade USB 3.0-gränssnitt i konstruktioner utan att kompromissa med signalintegriteten.
Jeremy Correale, Applications Engineer, ON Semiconductor

Filed under: Avstorning