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HDMI、USB 2.0等高速端口的ESD保护

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来源:网络    作者:佚名

在高速数据率下,低电容ESD保护对于保持USB 2.0,IEEE 1394以及ITV操作中使用的DVI和HDMI协议的数据完整性是很关键的。

 

全世界有数百万的家庭都已经在通过卫星电视、有线电视以及陆地广播享用互动式电视(ITV)服务 。借助于计算机技术,ATSC ACAP协议正在通过数据广播(PC下载) 以及实时互动应用服务成为富有生命力的广播服务。 通过将计算机装入电视机并为数字式机顶盒增加游戏、运动、互动广告、电子信箱和因特网接入功能,ITV正在成为电视 和家庭娱乐的一道风景线。

 

随着这些行业的汇聚联合,制造商必须对设备需求作出响应,以便容纳更高的数据率以及符合当前和拟议中的通信需求。另外,保护昂贵的设备不会受到因用户错误操作、环境危害或电源变化所引起的致命的损坏也是一项关键的设计课题。

 

USB 2.0、IEEE 1394、ITV 应用和操作中使用的数字式可视接口(DVI)和高清晰度多媒体接口(HDMI)协议允许高速数据传输率,并可以支持即插即用热插拔安装和操作。但这些外部端口很容易受到来自工作环境和周边设备的破坏性的 ESD 脉冲的伤害。ESD抑制器件除了保护数据传输线路之外,必须保持其信号的完整性。

 

通常,USB 2.0支持480Mbps(bits per second)的数据传输;DVI和HDMI协议更是分别支持高达 8Gbps和5Gbps 的数据传输带宽。在 USB 2.0、DVI和HDMI的高速数据率下,传统保护装置的寄生电容可能破坏信号的完整性或令其失真。失真表现为由较慢的上升和下降时间所致的高态/低态瞬变的前沿和后沿被修圆。上升和下降时间较慢会给系统带来一些问题,其中最重要的是时序问题。电路在特定的时间需要稳定的“高”态和“低”态。随着各状态之间过渡时间的增加,电路有可能检测到不完整的过渡期,从而将数据误差引入系统。附表1是不同寄生电容ESD抑制器件对数据上升沿时间(10%至90%高电平)所造成的影响比较。

 

 

 HDMI、USB 2.0等高速端口的ESD保护

 

传输速率为12Mbps时,其保持电平的时间要长得多(80ns)。在此数据传输率条件下,1OpF或更小的电容值将使得数据通过时的失真最小。当传输速率提高到480Mbps时,信号具有短得多的电平保持时间(2.0ns)。此时1OpF电容的ESD抑制器件已经引起波形失真:它减少了电平保持时间并使前沿和后沿的形状大为改变。而660 pF电容的ESD抑制器件则造成了相当大的失真,以致于波形甚至无法达到信号工作电压。图1显示了不同ESD抑制器件对480Mbps数据波形的影响。

 

 

 HDMI、USB 2.0等高速端口的ESD保护

 

这些数据揭示了在进行超高速系统的数据传输线路保护时ESD抑制器的电容特性的重要性。

尽管现有的各种抑制器均能够提供有效的ESD 保护功能,但不能以牺牲系统的信号完整性为代价。因此,在把ESD抑制器引入电路设计之前,必须对其电容有所考虑。具有极低电容值的ESD抑制元件(如PESD器件)能够在提供ESD保护功能的同时保持高速数据信号的数据完整性。由于传输最高速率的不同,不同的数据接口所能接受的最高电容是不一样的。譬如,USB2.0数据线上的寄生电容一般控制在10pF以内,而DVI或HDMI数据接口要求则更低,通常低于1pF(图2)。

 

 

 HDMI、USB 2.0等高速端口的ESD保护

 

高速信号和瞬变(如ESD)还带来了另一个寄生特性—电感。尤其值得关注的是用来实现连接器、芯片及其他任何配套元件之间互连的电路板上迹线的寄生电感。与电容效应相似,由电路板迹线所产生的电感将不会影响低频信号。但是,在高速条件下,这种电感将产生有可能影响信号完整性的阻抗分量。当高频信号(如ESD)通过时,少量的迹线电感可能转换成巨大的阻抗。设计师可通过在ESD抑制器和受保护芯片之间设置尽可能大的距离的方法来利用上述特性来完善ESD器件和IC本身间的协同、偶合。

 

低电容 ESD 保护对于高速条件下保持数据的完整性是非常关键的。在常见的瞬间过电压抑制器件中,金属氧化物压敏电阻(MOV)和多层压敏电阻(MLV)因价廉物美而应用广泛。但其固有的高电容决定了其应用范围只能局限于低频领域和电源的瞬间电压抑制上。而硅类ESD防护器件,包括齐纳二极管、TVS二极管/阵列等,虽然具有保护电压低而准确的优点,其寄生电容依旧不可忽视,通常难以适用于高速数据通讯接口,如HDMI,IEEE1394等。
 

 
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