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桌上型電腦前端USB接口之系統層級靜電放電保護設計2012/04/20

晶焱科技 設計研發部 姜信欽副總、李健銘副理

. 前言
在常見的桌上型電腦中,前端控制板上的USB接口已經是個很標準的通用設計。由於這樣的USB接口是很遠離主機板的,所以需要透過纜線來做為連接之用。圖一展示出這樣的設計方式。一旦前端的USB接口遭遇了靜電放電事件,這條纜線將會傳導巨大的暫態靜電放電電流從前端接口到主機板上。若是沒有適當的保護設計,這樣巨大的暫態電流將會導致電磁場的輻射發生,這個輻射是個寬頻帶的輻射,可能是數百MHz甚至超越GHz的頻率範圍[1]。圖二指出具有8kV充電電壓的靜電槍觀察到的放電電流波型所計算出來的頻譜範圍。
邊緣速率比3ns還快的數位電路特別容易遭受此一危害,因為很容易被ESD放電電流輻射出的難以捉摸的電磁場所干擾[2]。一般常發生的現象就是電腦進入重開機狀態。
本篇論文裡,我們做了一些實驗要來說明電腦遭到靜電放電電流所產生的電磁場危害。還有針對這種危害的解決方法也會一併介紹,這是使用暫態抑制元件(TVS)元件來做為靜電放電保護設計的方法。
 
圖一 一般前端控制板的USB接口設計,在前端USB接口和主機板間透過一條纜線做為連接之用。
圖二 8kV ESD放電電流的功率頻譜。
 
 
.傳導靜地放電電流時的危害
圖三指出了電腦前端USB接口的靜電放電測試設定,這是一個直接接觸針腳注入的靜電放電測試模式,若是沒有暫態電壓抑制元件(TVS)的保護設計,在接觸靜電放電1kV等級的測試情況下,將造成電腦系統呈現不穩定的狀況。
TVS陳列的主要功能為導引靜電放電電流到接地端,並且將保護線路的靜電電壓箝制在一個可以承受的夠低值。圖四指出了TVS陳列的等校電路及其保護功能。在圖4(b)中,如果電源間的靜電放電箝制元件沒有放置於VDD和GND之間的話,正脈衝的靜電放電電流( )將會通過靜電放電電流路徑1。所以,訊號線上的靜電放電箝制電壓可以用下面的公式描述:
 
=D1的順偏電壓降+VDD線的供應電壓+ +
 
其中是訊號線的寄生電感,而是VDD線的寄生電感。舉例來說,依照IEC61000-4-2第四等級的接觸放電標準,將會導致一個在1ns之內從零到30安培的脈衝電流。所以只有所有的寄生電感( + )超過1nH時,將會導致超過300V的增加電壓。除此之外,將ESD脈衝電流導引到VDD線上可能會潛在的破壞任何接到這個VDD線上的元件。
一旦電源線間的ESD箝制元件被置放於VDD和GND之間,正的ESD脈衝電流( )將會被導引經由內建的電源線間ESD箝制元件到地(ESD電流路徑2)。此時訊號線上的箝制電壓是很小的,所以可以保護積體電路不會受到損害,主要的原因是電源線間的ESD箝制元件提供了一個低阻抗路徑,來導引ESD脈衝電流到地。
如圖五在主機板端加上一顆TVS陣列元件,原本預期ESD耐受度應該要明顯的增加,但是在ESD接觸2kV等級測試下,系統依然會呈現不穩定狀態。
如圖六所示,我們一樣只單獨在前端USB接口處加了一顆TVS陣列元件,原本也預期ESD耐受度應該要顯著的增加,但是系統依然會在ESD接觸2kV的測試下呈現不穩定狀態。
最後,我們在主機板和USB前端接口處各加一顆TVS陣列元件,才將系統ESD的耐受度提升到8kV的等級(Class A的規範要求)。
 
圖三 針對桌上型電腦前端USB接口的靜電放電測試的設置,
其中靜電槍是依照IEC61000-4-2工業規範標準校正。
 
JEDEC SOT23-6L (Top View)
(a)
(b)
 
圖四 (a) TVS陣列的等效電路,(b)TVS陣列的ESD保護作用。
 
圖五 在主機板端加入一TVS陣列來保護USB接口避免遭到ESD襲擊。
 
圖六 在前端USB接口加入一TVS陣列來保護USB接口以防止ESD衝擊。
 


 

.分析靜電放電測試結果
圖表一列出了所有靜電放電測試結果的整理和分析。第一個例子並沒有使用TVS元件,來自於D+/D-訊號針腳的ESD電流將會通過連接的纜線和系統上的晶片,最後流到大地端。從這個例子來說,沒有元件提供任何的箝制保護作用,所以纜線和印刷電路板上(PCB)走線上的寄生電感將會產生巨大的暫態電壓降,從而將會導致來自於纜線的電磁輻射,和PCB走線上的訊號被雜訊電壓干擾的發生[1][2]。在這樣的情況下,桌上型電腦的系統運作很容易會受到干擾,這也是為什麼不能通過ESD 1kV等級測試的原因。
從第二個例子來說,只有在主機板端使用一個TVS陣列元件,來自於D+/D-訊號線上的ESD電流在抵達主機板端時,將會被TVS陣列導引到地去。所以在PCB走線上的電壓將會永遠的被箝制在一個夠低的值,這可以強制的將PCB走線上的電壓雜訊強制的減少,或甚至消除它。然而。纜線上仍然還是存在巨大的電壓降。電磁輻射仍然會發生在這個例子上,桌上型電腦的運作仍然會被電磁輻射所干擾,這也是為什麼例子二不能通過2kV等級的ESD測試原因。
第三個例子,TVS陣列元件只有使用在USB接口端,D+/D-針腳的ESD電流一開始就會被TVS導引到接地端。然後,ESD電流就會經由纜線裡的地線經由主機板然後到真正的大地端。除了經由纜線,一部分的ESD電流會被導引到屏蔽端,因為dI/dt減少了,這將會使纜線內的暫態電壓降也跟著減少。所以在這個例子裡,電磁輻射將不會發生。然而,一旦ESD電流流經主機板的地時,由於主機板端缺乏TVS的保護,沒有箝制的功能會發揮,暫態電壓雜訊將會發生在主機板端的地,從而干擾桌上型電腦的系統運作,這也是為何不能通過2kV ESD測試的原因。
第四個例子裡,在主機板端和USB接口端都有各加上一顆TVS陣列元件。就像例子三一樣,纜線的電磁輻射可以被消除,而且,主機板端的TVS也有針對地端平面發揮箝制保護的作用,從而消除暫態電壓雜訊。沒有電磁輻射和暫態電壓雜訊的存在,桌上型電腦的運作就不會受到干擾,這也是為什麼能夠通過8kV ESD測試的主要原因。
所以,針對前端USB接口的ESD保護設計,為了要達到夠高等級的ESD保護能力,必須同時在前端USB接口和主機板端加上TVS陣列元件。
 
 
 
圖表一 不同狀態的ESD測試結果分析

 

狀態
(ESD 規範: 等級-A)
TVS
狀況
ESD
影響
 
沒有TVS
故障@ 1kV
纜線電磁輻射 &
訊號跳動

TVS只有在主機板端
故障@ 2kV
纜線電磁輻射
 
TVS只有在連接口端
故障@ 2kV
訊號跳動
 
TVS同時在主機板和連接口端
通過8kV
沒有

 
 

. 結論
針對桌上型電腦系統的設計,越來越多的系統晶片採用先進製程來製造,而且為了節省功率,操作電壓也越來越低,例如3.3V,2.5V或甚至低到1.8V。這使得ESD事件越來越容易干擾桌上型電腦的運作。為了減少諸如此類的干擾情況,TVS元件將會變的越來越需要,TVS陣列舉有極優異的導散靜電放電電流的能力,以及箝制電壓的效果,使得無論是桌上型電腦,或是其他的電子產品,都能在嚴苛的ESD環境中正常穩定的運作。這篇論文正說明了TVS使用的必要性。
 
 
 
 
 


 

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