选择面向USB4数据线的ESD保护

USB4™利用USB Type-C®电缆提供的所有发送(Tx)和接收(Rx)线路，可以达到最高40 Gbps的数据速率。这意味着每个差分线对为20 Gbps，相当于每个差分线对的信号基频为10 GHz。虽然以前ESD保护器件的射频性能是通过观察其电容来进行比较的，但这种方法在10 GHz左右已达到了极限。因为ESD保护器件的电容和固有电感能够有效地形成带阻滤波器。

从ESD保护器件的结构来看，其寄生元件可分为电容（主要贡献来自于保护二极管）、电感（主要贡献来自于封装键合线）和电阻。

为了强调保护器件电感的重要性，Nexperia比较了测得的焊线ESD保护器件插入损耗行为（实线）与理想电容C（与受测量的器件一样在10 GHz频率下）的计算插入损耗曲线（虚线）。由于焊线电感的原因，10 GHz频率下的偏差比较明显。

显然，电容本身并不能说明器件在10 GHz或更高频率下的行为。我们可清晰地观察到保护器件的带阻谐振频率。在GHz范围内的频率下，应使用散射参数而非电容来评估ESD保护器件的射频适用性。

理想无电感电容的计算插入损耗（虚线）与10 GHz频率下电容相同的焊线器件测量插入损耗（实线）的比较。

因此，ESD保护器件针对USB4数据速率的适用性应该通过散射参数来评定，尤其是通过|S21|（插入损耗或αIL）和|S11|（回波损耗或αRL）来描述由于ESD保护器件造成的额外信号衰减和反射。需要注意的是，散射参数是在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USB4数据线通常具有90-80欧姆差分（45-40欧姆单端）的线路阻抗。

封装设计如何支持ESD保护的射频性能

因此，与电容相同但电感更高的ESD保护器件相比，电感更低的ESD保护器件具有更出色的射频性能。首先，更低的对地电感使ESD保护器件能够更快速地反应，从而降低ESD脉冲等快速瞬变的钳位。出于这两种原因，高速数据线的ESD保护首选无键合线单片硅封装。窄焊盘封装支持低回波损耗的系统设计。

封装设计如何支持ESD保护的射频性能

关于主机/器件插入损耗预算的概述如下所示。USB4第2代(10 Gbps)的主机/器件预算比USB4第3代(20 Gbps)要小，因此可对长达2m的线缆投入更大预算。

	主机/器件预算	频率
USB3.2 Gen2 (10 Gbps)	8.5 dB	5 GHz
USB4 Gen 2 (10 Gbps)	5.5 dB	5 GHz
USB4 Gen 3 (20 Gbps)	7.5 dB	10 GHz

虽然选择插入损耗和回波损耗尽可能小的ESD保护器件看似是可取的，且Nexperia可在10 GHz频率下实现低至-0.19 dB的插入损耗和-23.5 dB的回波损耗，但射频性能和钳位性能应实现平衡：就同一技术而言，提高射频性能会降低钳位性能。还会降低ESD保护器件的鲁棒性，但对于高数据速率的收发器IC，我们在实践中发现，在ESD保护器件由于ESD过压而损坏之前，该收发器IC通常已经因为剩余的钳位而损坏。

Nexperia刚刚发布了一款针对高速数据线优化的新产品系列，该系列具有如下射频性能：

	αIL @ 10 GHz, 50 Ohms SE (dB)	αRL @ 10 GHz, 50 Ohms SE (dB)
PESD5V0R1BBSF	-0.19	-23.5
PESD5V0R1BCSF	-0.25	-19.4
PESD5V0R1BDSF	-0.28	-19.0

相对于交流耦合电容放置ESD保护器件

另一个重要的选择是ESD保护器件的位置。USB 3.2在Rx输入之前采用了一个可选交流耦合电容，而该电容则成为USB4™的强制要求。 这样一来，ESD保护器件就只能放置在连接器与连接器正后方的交流耦合电容之间（位置1）或交流耦合电容与收发器之间（位置2）。

相对于USB4 Rx交流耦合电容的两个ESD保护器件位置选项

从系统级ESD保护的角度来看，位置1显然是首选位置，原因有两个。首先，在该位置可以对交流耦合电容器提供ESD瞬变保护。其次，为实现最有效的ESD保护，建议在ESD保护器件和收发器IC之间设置尽可能多的线路电感。根据经验，10 mm的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，我们比较了两个电磁干扰(EMI)扫描仪的测量结果，在此过程中，我们使用了带有两个ESD保护管脚尺寸的USB3板来比较同一ESD保护器件在这两个位置的效率。结果表明，连接器正后方的保护位置可显著降低收发器IC的电场强度。

使用EMI扫描仪比较两块板发射的EMI

信号引脚通过TLP脉冲激发，而EMI电场强度则采用二维形式记录。左侧板的ESD保护器件安装在连接器与收发器IC之间的中间位置，而右侧板的ESD保护器件则安装在连接器正后方的首选位置。这降低了系统中的EMI电场强度，尤其是显著降低了收发器IC上的电场强度。

ESD保护器件的位置对保护器件所需的额定电压具有直接影响。USB Type-C®连接器允许连接使用USB3.x标准的器件，而该标准允许的最高电压为2.8 V。如果ESD保护器件在位置1（连接器的正后方），则位置1处使用的ESD保护器件应具有高于2.8 V的VRWM额定电压，正如我们在之前的白皮书中讨论的那样。

综上所述，USB4是提高最常用接口数据传输速度路线图的下一阶段。ESD保护器件能够以较低的插入损耗和回波损耗支持达到这些数据速率。在10 GHz频率范围内，保护器件的低电感开始变得与低电容一样重要。当将保护器件安装在连接器的正后方，以充分利用固有的信号线路电感，保护交流耦合电容时，就可以实现最出色的系统级ESD性能。在这个位置，保护器件的VRWM额定电压需大于2.8 V，因为USB Type-C®允许将USB3.x接口连接至USB4TM接口，而USB3.x接口规格允许的最高电压为2.8 V。

审核编辑：郭婷