TVS Selection in High Speed Interface with Parasitic Capacitance Consideration

摘要：?

TVS的選擇與其保護的應(yīng)用接口息息相關(guān)，除了TVS的操作電壓必須大于或等于保護線的操作電壓之外，若是應(yīng)用在高速的傳輸接口保護上，TVS的寄生電容值也必須加入考慮，否則可能會影響訊號完整性(Signal Integrity)，造成訊號傳輸波形的失真，無法判讀。但相反的，也有少數(shù)系統(tǒng)設(shè)計工程師因過度追求訊號完整度，而在訊號線要求過低電容值的TVS，造成可選擇的防護組件方案鉗位電壓 (clamping voltage) 過高，如此可能嚴重影響TVS防護系統(tǒng)的效果，不符合防護設(shè)計方案的初衷。?

本文將針對高速接口的傳輸速度說明TVS的選擇方案，并且透過反射損耗來估計高速訊號的最大容許電容值，避免設(shè)計工程師挑選過小或過大電容值的防護方案。

寄生電容對于高速訊號的失真影響

如下圖一表示，訊號在線對地電容的大小會造成訊號的上升與下降時間變慢，進而造成訊號的波形失真，對地電容越大則會使上升與下降時間越慢，如下式一、二。當訊號的失真程度大過IC可以辨別的閥值情況，則有誤碼的情況產(chǎn)生。因此在高寄生電容的情況下，要解決誤碼情況則需要增長Bit Time使得訊號有足夠時間上升或下降至判斷閥值區(qū)，進而造成訊號傳輸速度變慢。

For Rising State:? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?V(t)=V_0 (1-e^(-t/RC))? ? ? ? ? ? ?式一

For Falling State:? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? V(t)=V_0 (e^(-t/RC))? ? ? ? ? ? ? ? 式二

Fig. 1 電容對于訊號的失真影響

然而從時域的波形中較難量化電容值的大小將造成多嚴重的訊號失真，因此在高速數(shù)字訊號或射頻線路的設(shè)計中，會透過FFT (Fast Fourier Transform) 將時域轉(zhuǎn)換為頻域來做表示，即S參數(shù)(S-Parameter)，如: S11 Return Loss(反射損失)與S21 Insertion Loss(插入損失)。

高頻訊號衰減與電容考慮

S11 Return Loss (反射損失) 描述當傳輸線兩端阻抗不匹配時，電磁波在兩接口間產(chǎn)生反射，而反射波與入射波功率的功率比值即Return Loss。TVS在電路上的應(yīng)用需與終端阻抗并聯(lián)到地，故會增加電容性負載，使得阻抗發(fā)生變化。?

首先，假設(shè)單端傳輸線特征阻抗為50 Ohm且為理想正弦波，普遍射頻工程上以S11小于 -10dB來判別是否阻抗匹配，當S11小于 -10dB時，代表入射功率可以傳送超過90%至負載端。接著計算不同操作頻率下的等效電容值，我們就可以得到圖二中的紅色線，藉此來判斷不同速度的高速接口，其TVS的寄生電容值選擇上限。

Fig. 2 不同反射損耗條件下要求的電容負載容許度

以USB4為例，其單一條Tx/Rx的最高傳輸速度可達20 Gbps，操作頻率可等效為10 GHz的基頻，因此從圖二中可以觀察到，一條高速在線在S11= -10 dB的情況下，最大可容許約0.29 pF的寄生電容。此外，亦可采用類似的方法針對S21 Insertion Loss (插入損失) 進行 TVS 的電容評估，不論采用 S11 或 S21 的評估結(jié)果是相等的，因為對于對地電容造成的反射波功率即插入的功率損耗 (S21)。然而不同的傳輸接口，訊號衰減忍受程度都不同，各個系統(tǒng)設(shè)計時可以留給 TVS 的余量也不同，最后我們可以從各傳輸接口的眼圖條件(訊號衰減程度)來判別TVS應(yīng)該容許的寄生電容大小。

晶焱科技的高速接口ESD解決方案

晶焱科技擁有業(yè)界規(guī)格最高也最完整的高速接口ESD解決方案，USB、HDMI、LAN Port對應(yīng)的解決方案應(yīng)有盡有，可參考下表一。AZ5B9S-01F僅有0.18pF的寄生電容，在相同DFN0603的封裝大小，提供業(yè)界最低的4.6V鉗制電壓，是保護USB4 Re-timer/Controller的最佳選擇。晶焱在市場多年的耕耘，與客戶的密切合作令晶焱的產(chǎn)品與市場完美接軌，幫助客戶解決ESD的同時，更保證了高速接口的訊號質(zhì)量。

Interface
Amazing Solution
Capacitance (Typ.)
Clamping Voltage at ESD 8kV
USB2.0 (D+/D-)
AZC399-04S
1.4 pF
9V
USB3.0 (Tx/Rx)
AZ1143-04F
0.45 pF
9V
USB3.2 (Tx/Rx)
AZ176S-04F
0.29 pF
4.3V
USB4 (Tx/Rx)
AZ5B9S-01F
0.18 pF
4.6V
HDMI1.4 (TMDS)
AZ1143-04F
0.45 pF
9V
HDMI2.0 (TMDS)
AZ1143-04F
0.45 pF
9V
HDMI2.1 (TMDS/FRL)
AZ1123-04F
0.2 pF
10V
Display Port 1.4
AZ1143-04F
0.45 pF
9V
Display Port 2.0
AZ1123-04F
0.2 pF
10V
LAN 100M/1000M/2.5G
AZ1513-04S
AZ3133-08F
2.0 pF
1.7 pF
7.5V
12.5V
LAN 5G/10G
AZ1123-04F
AZ5B0S-01F
0.2 pF
0.18 pF
10V
5.5V
PCIE Gen4/Gen5
AZ5B9S-01F
0.18 pF
4.6V

Table 1. 晶焱科技提供的ESD解決方案