Thunderbolt 5 的ESD保护方案

Thunderbolt 5是最新一代高性能的数据传输技术，结合了高速数据传输速度、多功能扩展与强大电源供应的优势，广泛应用于各种高端的电子设备产品。随着影像技术的不断提升，电脑、手机与相机的像素越来越高，硬盘的容量也越来越大，用户对数据传输的需求持续向上提升且对传输速度也更加要求。而Thunderbolt 5规格可以提供80Gbit/s 的双向传输速度，将可以满足用户对传输速度愈来愈快的需求。为实现如此高速的传输速度，Thunderbolt 5控制芯片必须使用先进的半导体制程技术，但也造成Thunderbolt 5控制芯片对ESD的耐受能力快速下降。Thunderbolt 5是构建在USB Type C的实体接口上，此接口除了可以将传输速率提高到80Gbit/s，而且还可快速充电，最大供电为240W。未来USB Type C接口将成为个人电脑、笔记本及平板、智能手机、消费性等所有电子产品的主流接口。由于Thunderbolt 5是超高速的传输接口，在系统上是外露给用户随时可以插拔的接口，用户最普遍的应用就是即插即用、随拔即关，然而这个热插拔动作也经常是造成电子系统工作异常、甚至造成USB Type C控制元件毁坏的元凶，因为静电放电(ESD)等瞬态噪声就是来自这个热插拔动作。在热插拔中，由于接口端的信号线已经带电，本身就是个带电的电缆在接触系统时，形成放电动作。这种现象等同于静电放电效应会对系统产生严重破坏，我们一般称这种现象为直接放电。目前在系统的静电放电测试上，越来越多的厂商要求以Direct-Pin Injection方式测试产品，以此来模拟系统在用户端使用时所遭受到的ESD事件。除了原先必须通过IEC61000-4-2的规范外，有部分品牌厂商甚至规范其产品的USB Type C连接器需以Direct-Pin Injection方式测试必须通过±8kV的ESD轰击，并且系统必须在不受任何影响之下通过测试。因此使用ESD保护元件于USB Type C接口来防止ESD事件对数据传输的干扰是绝对需要的。图一为Direct-Pin Injection测试设置。

图一: Direct-Pin Injection测试设置对于Thunderbolt 5的高速接口而言，在选择ESD保护元件时必须考虑到：

为确保Thunderbolt 5高速信号传输时的信号完整性，所以选择ESD保护元件时，须选择其寄生电容较低的ESD保护元件，建议寄生电容低于0.2pF。

防护元件对ESD的耐受能力必须要高，最少要能承受IEC 61000-4-2接触模式8kV ESD的轰击。

ESD Clamping voltage最重要的参考参数， ESD保护元件若要能对系统提供有效保护，除了防护元件本身要能承受够高的ESD轰击外，还需要考虑钳位电压是否够低，使得ESD的能量能被钳位在更低的电压以防止系统内部电路受到损毁，此钳位电压是判断ESD保护元件对于系统电路保护效能最重要的参数。

此接口还可提供快速充电技术，分别可以支持电压5V/9V/15V/20V/28V/36V/48V，而有线充电由于热插拔的方式会在电源线上产生频繁ESD/EOS问题，因此须在系统上采用更加完善的外部浪涌ESD/EOS保护方案设计。

晶焱科技拥有先进的ESD防护设计技术，特别针对Thunderbolt 5的防护需求， 推出AZ5BFS-01M的ESD防护元件。 为避免防护元件的寄生电容影响Thunderbolt 5差分信号的高速传输，AZ5BFS-01M的寄生电容已低于0.2pF，能够顺利通过80Gbit/s的Eye Diagram测试。最重要的，AZ5BFS-01M产品拥有极低的ESD钳位电压，能够有效地协助Thunderbolt 5接口通过以Direct-Pin Injection方式的±8kV静电放电轰击。图二为利用TLP测量AZ5BFS-01M产品的电流对电压曲线。在IEC 61000-4-2接触模式8kV的ESD冲击下(等效TLP电流约为16A)，钳位电压仅有6.5V，能有效避免系统产品于ESD测试时发生数据错误、死机甚至损坏的情况。

图二 AZ5BFS-01M的ESD钳位电压特性曲线在电子产品朝向轻薄短小的发展趋势下，产品的印刷电路板(PCB)也随之越来越小，但在产品功能强大的要求之下，线路也变得更加复杂，因此PCB的面积已变得寸土寸金，造成产品设计时相当大的困扰。 AZ5BFS-01M产品采用超小型MCSP0603P2YS 封装，尺寸仅 0.6mm x 0.3mm，高度仅 0.25mm，主要保护Thunderbolt 5的4组差分对(TX和RX)，另外只需使用一颗AZ1045-08F就可保护其余的信号线(D+/D-/CC/SBU)， 特别的是AZ1045-08F采用交错形式的引脚，以提供PCB Layout时可利用穿透式(Feed through)的设计，可免除布线时的诸多困扰，不但对缩短产品设计阶段的PCB Layout工作有相当大的帮助外，还可以缩小PCB面积来达到节省系统成本。此接口还可提供快速充电，在电源端需在选用一颗ESD防护元件，依设计的电压来选用合适的ESD元件(AZ3105-01F/AZ4510-01F/AZ4516-01F/AZ4520-01F/AZ4528-01F/AZ4536-01F/AZ4548-01F)来保护，此时就可以完整地保护此接口不受ESD/EOS的威胁，图三即为完整的Thunderbolt 5接口的ESD/EOS解决方案保护线路。

图三 Thunderbolt 5接口的ESD/EOS解决方案保护线路

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审核编辑 黄宇