如今的電子系統(tǒng)中越來越多地采用以CMOS工藝制造的低功率邏輯芯片。這些芯片如果遭遇足夠高的靜電放電(ESD)電壓，芯片內(nèi)部的電介質(zhì)上就會產(chǎn)生電弧，并在門氧化物層燒出顯微鏡可見的孔洞，造成芯片的永久損壞。
通用串行總線(USB)高速數(shù)據(jù)應(yīng)用也十分普遍，用戶在熱插撥任何USB外設(shè)時可能會導(dǎo)致ESD事件。此外，在離導(dǎo)電表面幾英寸的地方也可能發(fā)生空氣放電，可能損壞USB接口及芯片。因此，設(shè)計人員必須為USB元件提供ESD保護。
業(yè)界制定了不少針對不同瞬態(tài)干擾的ESD標(biāo)準(zhǔn)，比如針對系統(tǒng)級ESD事件的IEC61000-4-2國際標(biāo)準(zhǔn)。另外還有一些元器件級的ESD敏感度測試標(biāo)準(zhǔn)，如人體模型(HBM)和機器模型(MM)等。USB 2.0高速數(shù)據(jù)線路應(yīng)用的半導(dǎo)體ESD保護元件應(yīng)當(dāng)具備下列重要特性：
極低電容：將USB 2.0高速數(shù)據(jù)線路(480 Mbps)中的信號衰減減至最小；
快速動作響應(yīng)時間(納秒級)：在ESD脈沖信號快速上升時保護USB元件；
低泄漏電流：將額定工作條件下的功率消耗減至最低；
強固性：能夠承受很多次的ESD事件沖擊而不受損傷；
小封裝：集成型更小封裝
本文介紹低電容瞬態(tài)電壓抑制器(TVS)二極管陣列NUP4114UPXV6的主要特性，并討論如何為USB 2.0高速數(shù)據(jù)線路提供有效的ESD保護。
NUP4114UPXV6的特性及配置選擇
NUP4114UPXV6是一款非常適合USB 2.0高速數(shù)據(jù)線路ESD保護的TVS二極管陣列。該器件具有0.8pF的極低電容(I/O線路與地之間的典型電容)，能將USB 2.0高速數(shù)據(jù)線路中的信號衰減降至最低。該器件滿足13 kV接觸放電的系統(tǒng)級IEC61000-4-2標(biāo)準(zhǔn)，并能承受人體模型3B類(超過8 kV)和機器模型C類(超過400V)的CMOS器件級ESD額定脈沖，具有強固的ESD保護性能。此外，它采用SOT563封裝，尺寸僅為1.6×1.6×0.55mm，非常適合計算機、手機、MP3播放器等應(yīng)用中的USB2.0高速數(shù)據(jù)線路及其它高速應(yīng)用的ESD保護。
NUP4114UPXV6能夠保護多達4條數(shù)據(jù)線路，驅(qū)使瞬態(tài)過壓達到鉗位參考點，讓應(yīng)用免受瞬態(tài)過壓條件影響。無論什么時候，只要受保護線路上的電壓超過參考電壓(Vf或VCC+Vf)，器件中的控向(steering)二極管將正向偏置。這些二極管會迫使瞬態(tài)電流不經(jīng)過敏感的CMOS芯片，而從其旁路流過。
在保護應(yīng)用中，數(shù)據(jù)線路連接至這器件的引腳1、3、4和6。負參考連接至引腳2，且該引腳必須通過接地層(ground plane)直接連接至地，從而將印制電路板(PCB)的接地電感降至最低。為將寄生電感降至最低，盡可能縮短走線(trace)長度也非常重要。
NUP4114UPXV6有3種配置選擇。配置選擇1采用VCC作為參考，保護4條線路及電源(圖1)。在這種配置中，引腳5直接連接至正電源輸入端(VCC)，數(shù)據(jù)線路以電源電壓為參考。內(nèi)部的TVS二極管防止電源輸入端上出現(xiàn)過壓。控向二極管的偏置可降低它們的電容。
配置選擇2采用偏置及電源隔離電阻來保護4條數(shù)據(jù)線路。該器件可在引腳5與VCC之間串聯(lián)10kΩ電阻實現(xiàn)與電源隔離。這將在內(nèi)部TVS及控向二極管上維持偏置，并降低它們的電容。
配置選擇3采用內(nèi)部TVS二極管作為參考來保護4條數(shù)據(jù)線路。在缺乏正電源參考的應(yīng)用，或是需要完全隔離型電源的應(yīng)用中，可以采用內(nèi)部TVS作為參考。在這些應(yīng)用中，引腳5不連接。采用這種配置時，只要受保護線路上的電壓超過TVS工作電壓與一個二極管壓降的和(VC= Vf +VTVS)時，控向二極管導(dǎo)通。
利用NUP4114UPXV6保護USB 2.0高速數(shù)據(jù)應(yīng)用
USB端口由4條線路組成，其中D+和D-用于雙向數(shù)據(jù)傳輸，其余2條線路用于總線電壓及接地。圖2是NUP4114UPXV6為USB2.0高速數(shù)據(jù)應(yīng)用提供ESD保護的電路圖。
USB控制器
如果發(fā)生ESD瞬態(tài)事件，器件中的控向二極管使瞬態(tài)電流避開受保護的IC，而集成的TVS器件將浪涌電流轉(zhuǎn)移到地。TVS元件還會抑制電壓總線(VBUS)上的ESD事件。NUP4114UPXV6通過這些方式保護USB 2.0高速數(shù)據(jù)線路應(yīng)用中的敏感IC。
其它USB 2.0高速應(yīng)用ESD保護方案
NUP4114UPXV6是一款集成型方案，用于保護2條USB 2.0高速數(shù)據(jù)線路。圖2所示的USB 2.0應(yīng)用不帶識別(ID)線路。這類不帶ID線路的USB 2.0應(yīng)用除了可以采用NUP4114UPXV6之外，還可以采用集成型解決方案NUP2114。此外，這類應(yīng)用中還可以采用不同的分立方案，比如搭配2顆ESD9L和1顆ESD9X，或者搭配1顆ESD7L和1顆ESD9X，或者搭配1顆最新的ESD11L和1顆ESD9X。
此外，在帶ID線路的USB 2.0應(yīng)用(見圖3a)中，同樣可以采用分立或集成ESD保護方案。比如搭配3顆ESD9L和1顆ESD9X作為分立ESD保護方案，或者采用單顆的NUP3115UP或NUP4114UP這樣的集成方案，如圖3所示。
本文小結(jié)
速率高達480Mbps的USB 2.0高速數(shù)據(jù)線路應(yīng)用需要有效的ESD保護。安森美半導(dǎo)體的低電容TVS二極管陣列NUP4114UPXV6提供0.8pF的極低電容，能高速應(yīng)用中的信號衰減降至極低。它提供3種不同的配置選擇，可保護多達4條數(shù)據(jù)線路，讓應(yīng)用免受瞬態(tài)過壓的影響，并迫使瞬態(tài)電流避免流過敏感的CMOS芯片。此外，該器件還符合IEC61000-4-2標(biāo)準(zhǔn)及HBM和MM測試標(biāo)準(zhǔn)。因此，設(shè)計人員可以利用該器件為USB 2.0高速應(yīng)用提供有效的ESD保護。