选择面向 USB4 数据线的 ESD 保护

USB4? 利用 USB Type-C?所有发送的电缆（Tx）和接收（Rx）线路，可达最高 40 Gbps 数据速率。这意味着每个差分线都是对的 20 Gbps，相当于每个差分线对的信号基频 10 GHz。虽然以前 ESD 通过观察其电容来比较保护装置的射频性能，但这种方法是 10 GHz 左右已达到极限。因为 ESD 带阻滤波器可以有效地形成保护装置的电容和固有电感。

从 ESD 根据保护装置的结构，寄生元件可分为电容器（主要来自保护二极管）、电感器（主要来自封装键合线）和电阻。

强调保护装置电感的重要性，Nexperia 比较了测得的焊线 ESD 保护装置插入损耗行为(实线)和理想电容C(就像测量器件一样 10 GHz 插入损耗曲线(虚线)的计算频率。由于焊线电感，10 GHz 频率偏差明显。

显然，电容本身并不意味着设备在 10 GHz 或更高频率的行为。我们可以清楚地观察到保护装置的阻力谐振频率。 GHz 散射参数应用于评估范围内的频率，而不是电容 ESD 保护器件的射频适用性。

△ 插入损耗(虚线)和理想无电感电容的计算 10 GHz 相同频率下电容的焊接设备测量插入损耗(实线)的比较。

因此，ESD 针对保护装置 USB4 散射参数应评估数据速率的适用性，特别是通过|S21|(插入损耗或αIL）和|S11|(回波损失或αRL）来描述由于ESD额外的信号衰减和反射是由保护装置引起的。需要注意的是，散射参数是 50 欧姆单端系统（100欧姆差分）上测得的，因为这是测量设备的标准，而 USB 4 通常有数据线 90-80 线路阻抗欧姆差异(45-40欧姆单端)。

如何支持封装设计？ ESD 射频性能的保护

因此，与电容器相同但电感更高 ESD 与保护装置相比，电感更低 ESD 保护装置具有更好的射频性能。首先，对地电感较低 ESD 保护装置反应更快，从而减少 ESD 快速瞬变的钳位，如脉冲。由于这两个原因，高速数据线 ESD 无键合线单片硅封装是保护的首选。窄焊盘包装支持低回波损耗的系统设计。

主机/设备插入损耗预算概述如下。USB 4 第 2 代（10 Gbps）主机/设备预算比 USB 4 第 3 代（20 Gbps）要小，所以可以长达 2m 预算更大。

尽管插入损耗和回波损耗尽可能小 ESD 保护装置看似可取， Nexperia 可在 10 GHz 实现低频率 -0.19 dB 插入损耗和 -23.5 dB 但应平衡射频性能和钳位性能：在同一技术上，提高射频性能会降低钳位性能。还会降低 ESD 保护装置的鲁棒性，但对于高数据速率的收发器 IC，在实践中，我们发现 ESD 因为保护装置 ESD 收发器过压损坏前 IC 它通常被剩余的钳位损坏。

Nexperia 发布了一款针对高速数据线优化的新产品系列，具有以下射频性能：

与交流耦合电容相比， ESD 保护器件

另一个重要的选择是 ESD 保护装置的位置。USB 3.2 在 Rx 输入前使用可选交流耦合电容，电容成为 USB 4? 强制要求。这样一来， ESD 保护装置只能放置在交流耦合电容器（位置1）或交流耦合电容器和接收器（位置2）之间。

△ 相对于 USB4 Rx 两个交流耦合电容器 ESD 保护装置位置选项

从系统级 ESD 从保护的角度来看，位置 1 显然是首选位置，原因有两个。首先，交流耦合电容器可以在这个位置提供 ESD 瞬变保护。其次，为了实现最有效的目标 ESD 保护，建议在 ESD 保护装置和收发器 IC 尽可能多地设置线路电感。根据经验，10 mm 附加走线意味着大约 3-3.5 nH 电感。为了直观地看到这种效果，我们比较了两种电磁干扰（EMI）在这个过程中，我们使用了扫描仪的两个测量结果 ESD 保护管脚尺寸 USB 3 板来比较相同 ESD 这两个位置的保护装置的效率。结果表明，收发器的保护位置可以显著减少 IC 电场强度。

△ 使用 EMI 扫描仪比较两块板发射的扫描仪。 EMI

信号引脚通过 TLP 脉冲刺激，而 EMI 二维记录电场强度。 ESD 保护装置安装在连接器和收发器上 IC 右侧板的中间位置 ESD 保护装置安装在连接器正后方的首选位置。这减少了系统 EMI 特别是收发器的强度显著降低 IC 上电场强度。

ESD 保护装置的位置直接影响保护装置所需的额定电压。USB Type-C?连接器允许连接 USB 3.x 该标准允许的最高电压为标准设备 2.8 V。如果 ESD 位置有保护装置 1(连接器正后方)，位置 1 处使用的 ESD 保护器件应具有高于 2.8 V 的 VRWM 正如我们在之前的白皮书中讨论的，额定电压。（点击「阅读原文」，下载阅读相关白皮书USB4TM选择ESD保护器件》）

综上所述，USB 4 下一阶段是提高最常用的接口数据传输速度路线图。ESD 这些数据速率可以由较低的插入损耗和回波损耗支撑。在 10 GHz 在频率范围内，保护装置的低电感开始像低电容器一样重要。当将保护装置安装在连接器的前后，以充分利用固有的信号线电感，保护交流耦合电容时，可以实现最好的系统级 ESD 性能。在这个位置，保护装置 VRWM 额定电压应大于 2.8 V，因为 USB Type-C?允许将 USB 3.x 接口连接至 USB 4TM接口，而 USB 3.x 接口规格允许的最大电压为 2.8 V。