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Thunderbolt3應用的 ESD/EOS 最佳解決方案2019/07/04

  Thunderbolt是由英特爾發表的連接器標準,目的在於當作電腦與其他裝置之間的通用匯流排,第一代與第二代介面是與Mini Display Port整合,較新的第三代在2015年於台北國際電腦展上發表了Thunderbolt 3,連接器由原本的Mini Display Port更換為 USB Type CUSB Type C是目前各式電子產品中使用最廣泛的介面。也因為它的應用是如此的廣泛,使用者對它的使用需求相對的就會要求越來越多。

 

  Thunderbolt 3是超高速的傳輸接口,可以提供40Gbit/s 的傳輸速度,將可以滿足對傳輸速度需求愈來愈高的新應用,例如超高畫質(UHD)電視、顯示器及固態硬碟(SSD)等應用需求。為實現如此高速的傳輸速度,Thunderbolt 3控制晶片必須使用先進的半導體製程技術,但也造成Thunderbolt 3控制晶片對ESD的耐受能力快速下降。

 

  目Thunderbolt 3是建構在USB Type C的實體接口上,此介面除了可以將傳輸速率提高到40Gbit/s,而且還可快速充電,最大供電為 100W。而由於Thunderbolt3是超高速的傳輸接口在系統上是外露給使用者可以插拔的接口,使用者最普遍的應用就是隨插即用、隨拔即關,然而這個熱插拔動作卻也經常是造成電子系統工作異常、甚至造成USB Type C控制元件毀壞的元兇,因為如靜電放電(ESD)等暫態雜訊就是來自這個熱插拔動作。因為在熱插拔中,由於接口端的訊號線已經帶電,本身就是個帶電的電纜在接觸系統時,形成放電動作。這種現象等同於靜電放電效應會對系統產生嚴重破壞,我們一般稱這種現象為直接放電。目前在系統的靜電放電測試上,越來越多的廠商要求以Direct-Pin Injection方式測試產品,以此來模擬系統在用戶端使用時所遭受到ESD事件。

 

  除了原先必須通過IEC61000-4-2的規範外,有部份品牌廠商甚至規範其產品的USB Type C連接器需以Direct-Pin Injection方式測試必須通過±8kVESD轟擊,並且系統必須在不受任何影響之下通過測試。因此使用ESD保護元件於USB Type C介面來防止ESD事件對資料傳輸的干擾是絕對需要的。圖一為Direct-Pin Injection測試設置。

 

圖一: Direct-Pin Injection測試設置

 

  另外由於電子產品已迅速深入全球各個角落,但許多偏遠地區因基礎建設不佳,或是氣候極端的地方,電子產品遭受EOS(Electrical Over Stress)突波的機率大大提高,所導致反修率也隨之提升。EOS通常產生於電源干擾(AC/DC)、電源雜訊或熱插拔等事件,而目前EOS測試的標準主要是採用IEC61000-4-5的規範,測試電壓波形為1.2/50uS和電流波形為8/20uS,部分品牌廠除了制定內規的ESD Direct-Pin Injection方式測試外,還會額外增加EOS Direct-Pin Injection方式測試。圖二為EOS Direct-Pin Injection測試設置。

 

圖二為EOS Direct-Pin Injection測試設置。

 

對於Thunderbolt 3的高速介面而言,在選擇ESD/EOS保護元件時必須考慮到:

1. 為確保Thunderbolt 3高速訊號傳輸時的訊號完整性,所以選擇ESD保護元件時,須選擇其寄生電容較低的ESD保護元件,建議寄生電容低於0.2pF

2. 防護元件對ESD的耐受能力必須要高,最少要能承受IEC 61000-4-2接觸模式8kV ESD的轟擊。

3. ESD Clamping voltage最重要的參考參數, ESD保護元件若要能對系統提供有效保護,除了防護元件本身要能承受夠高的ESD轟擊外,還需要考慮箝制電壓是否夠低,使得ESD的能量能被箝制在更低的電壓以防止系統內部電路受到損毀。因此箝制電壓是判斷ESD保護元件對於系統電路保護效能最重要的參數。

4. 此介面還可提供快速充電技術,分別可以支援三段電壓5V/12V/20V,而有線充電由於熱插拔的方式會再電源線上產生頻繁ESD/EOS問題,因此須在系統上採用更加完善的外部突波ESD/EOS保護方案設計。

 

  晶焱科技擁有先進的ESD防護設計技術,特別針對Thunderbolt 3的防護需求,推出AZ5B8S-01FESD防護元件。為避免防護元件的寄生電容影響Thunderbolt3差動訊號的高速傳輸,AZ5B8S-01F的寄生電容已低於0.2pF,能夠順利通過40Gbit/sEye Diagram測試,圖三為AZ5B8S-01F 40Gbit/sEye Diagram測試結果。

 

AZ5B8S-01F 40Gbit/sEye Diagram測試結果

 

  最重要的,AZ5B8S-01F產品擁有極低的ESD箝制電壓,能夠有效地協助Thunderbolt 3介面通過以Direct-Pin Injection方式的±8kV靜電放電轟擊。圖四為利用TLP量測AZ5B8S-01F產品的電流對電壓曲線。在IEC 61000-4-2接觸模式8kVESD衝擊下(等效TLP電流約為16A),箝制電壓僅有5.5V,能有效避免系統產品於ESD測試時發生資料錯誤、當機甚至損壞的情況。

 

圖四 AZ5B8S-01FESD箝制電壓特性曲線

 

  在電子產品朝向輕薄短小的發展趨勢下,產品的印刷電路板(PCB)也隨之越來越小,但在產品功能強大的要求之下,線路也變得更加複雜,因此PCB的面積已變得寸土寸金,造成產品設計時相當大的困擾。AZ5B8S-01F產品採用超小型DFN0603P2Y 封裝,尺寸僅 0.6mm x 0.3mm,高度僅 0.3mm,主要保護Thunderbolt 34組差動對(TXRX),另外只需使用一顆AZ1045-08F就可保護其餘的訊號線(D+/D-/CC/SBU) 特別的是AZ1045-08F採用交錯型式的接腳,以提供PCB Layout時可利用穿透式(Feed through)的設計,可免除佈線時的諸多困擾,不但對縮短產品設計階段的PCB Layout工作有相當大的幫助外,還可以縮小PCB面積來達到節省系統成本。此接口還可提供快速充電,在電源端需在選用一顆ESD防護元件,依設計的電壓來選用合適的ESD元件(AZ3105-01F/AZ4512-01F/AZ4520-01F)來保護,此時就可以完整地保護此接口不受ESD/EOS的威脅,圖五即為完整的Thunderbolt 3介面的ESD/EOS解決方案保護線路。

 

圖五 Thunderbolt 3介面的ESD/EOS解決方案保護線路

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