如何在增添 ESD保护时维持USB信号完整性

作者：Edwin Romero

应用工程师

安森美半导体

引言

手机、MP3播放器和其它电子产品中，通用串行总线(USB)已经成为一项流行特性。USB使

得数据在不同电子设备之间的传输更快更方便，对于那些使用USB 2.0端口的产品而言尤

为如此。USB 2.0的数据传输率达480 Mbps。随着常见文件的大小持续增加，高数据率也

变得越来越重要。在这种等级的数据率，为数据线路增加任何电容都可能造成信号波形失

真，导致数字数据传输的中断和/或故障。这就对 USB 2.0接口上使用的静电放电(ESD)保

护器件提出了更高的要求。ESD保护器件在正常数据传输期间必须对信号保持透明状态，

而在系统级 ESD兼容性测试或应用现场中遭受实际 ESD事件时，必须使受保护对象免受损

伤或干扰。如今，设计人员面对着需要找到合适的 ESD保护解决方案，既能保护敏感线

路，又不增加会导致信号质量降低的电容的挑战。

USB 2.0眼图

可以使用眼图来评估增加电容对带宽和信号质量的影响。眼图提供最低及最高电压电平以

及信号抖动的数字信号。眼图将能够暴露出USB数据传输完整性方面的任何问题。

通过在示波器的垂直轴对数字信号进行反复采样、同时采用相应数据率对水平时间扫描进

行触发来生成眼图。所获得的图形看上去象眼睛，如图1所示。“眼睛”越大，数据完整

性越高。通常采用模板(mask)来对可接受的信号质量进行定义。这模板由“眼睛”中间的

六角形和“眼睛”上、下的矩阵组成。如果测得的信号迹线穿越模板的边线，那么信号质

量就不可接受。USB 2.0信号模板规范由USB应用者论坛(USBIF, www.usb.org)提供，可参

见USB 2.0版规范第7.1.2.2章节。图1中显示了带有详细临界点的眼图。

图1、USB 2.0眼图

不同电容范围保护器件的眼图评估

我们采用480 Mbps数据率的USB 2.0信号，测量了具有不同电容范围的三种不同保护器

件的眼图，并将其与 USB 2.0模板进行比较。我们还评估了不带保护器件的电路板，用于

比较和参考。通过将不同保护器件的眼图与没有保护器件的眼图进行比较，可以展现出由

保护器件导致的信号衰减程度。需要说明的是，本文仅考虑 ESD保护二极管的电容量及其

对USB 2.0高速信号的影响。在实际设计中，线路上的其它元器件或电路板本身也可能会

增加电容。

图 2、没有保护器件所测得的眼图

图2显示的是没有保护器件时的测试信号。这代表了没有信号衰减的纯粹USB 2.0高速信

号，因为线路上没有另外增加电容。

图3显示的是增加了0.5 pF电容ESD保护器件(安森美半导体超低电容ESD器件

ESD9L5.0ST5G)的USB 2.0高速信号眼图。这眼图反映出信号没有重要变化或区别。这

0.5 pF电容ESD器件由于电容值是如此之低，对数据信号完整性的负作用可以忽略不

计。这就为设计人员提供了极佳的 ESD保护选择，具有最高的灵活性，将电容预算留给增

加其它元件。

图3、增加ESD9L5.0ST5G 0.5 pF电容ESD器件所测得的USB 2.0高速信号眼图。

下一项测试采用的是6.0 pF电容的ESD保护器件(安森美半导体ESD9C5.0ST5G)，见图

4。由于电容增加，与没有增加电容的测试相比，可以从眼图观察到信号质量明显下降。

主要的下降体现在上升时间和下降时间的增加。图 4所示的眼图看上去可以接受，但也显

示出保护器件占用了极大部分的电容预算。在大多数设计中，设计中的其它元器件可能会

增加大量的电容，造成信号质量进一步下降。这6.0 pF电容ESD保护器件将需要在最终

系统设计中进行测试，以确保它仍然可以接受，并在增加其它元器件的情况下能够满足兼

容性要求。

图4、ESD9C5.0ST5G 6 pF器件，其中箭头重点说明了采用较高电容器件时开始出现信号

质量下降。

最后测试采用65 pF电容ESD保护器件(安森美半导体ESD9X5.0ST5G)来进行，见图5。这

眼图显示信号质量退化严重，上升和下降时间显示增加。信号迹线穿越USB 2.0眼图模

板，显示这保护器件不能用于 USB 2.0应用。

图5、大电容器件

总结

ESD9L5.0ST5G的超低电容(0.5 pF)为USB 2.0高速应用提供了最佳的半导体ESD保护器

件设计选择。上述眼图研究显示ESD9L5.0ST5G对逻辑电平的影响极低，并且不会使上升

时间和下降时间出现失真。除了对数据信号传输没有干扰，这器件还拥有高于 8 kV的

ESD额定电平，为设计人员提供极佳的 ESD保护器件选择，不仅能够提供所需的 ESD保

护，同时还维持信号完整性。