摘要：  在2011年美国国际消费类电子展(CES)上，USB应用者论坛宣布已有165种USB 3.0设备获得认证，该数字是去年获得认证设备的十倍。据市场调研公司InStat预计，到2013年，SuperSpeed USB设备的出货量将达到十亿件(占整个USB市场的25%)。

关键字：  计算机，  消费类电子，  高清视频

期待甚久的计算机与消费类电子行业的融合现已到来。随着越来越多的消费者开始使用大型数字音乐库、数字图像文件和高清视频，我们看到新一代技术标准应运而生。其中一个标准就是通用串行总线(USB)3.0规范，该标准具有接近5Gbps的SuperSpeed数据传输速率。

在2011年美国国际消费类电子展(CES)上，USB应用者论坛宣布已有165种USB 3.0设备获得认证，该数字是去年获得认证设备的十倍。据市场调研公司InStat预计，到2013年，SuperSpeed USB设备的出货量将达到十亿件(占整个USB市场的25%)。

USB的演进

1996年推出的通用串行总线(USB)在低速(LS)和全速(FS)模式下，数据传输速率分别为1.5Mbps和12Mbps。2000年，USB 2.0增加了高速(HS)模式，数据传输速率达到了480Mbps，并向下兼容低速和全速模式。

2008年11月发布的USB 3.0规范支持USB 2.0的所有模式(HS、FS、LS)和全新的SuperSpeed 5Gbps数据链路。SuperSpeed链路采用单独的差分数据线进行下载(主机=>设备，称为发射方向)和接收方向的上传(设备=>主机)。参见图1。

图1：USB3.0物理链路包括主机和设备端的ESD保护。

为同时支持USB 2.0功能和新的SuperSpeed模式，电缆必须采用新的结构，以提供三条差分耦合信号线(TX+/Tx-、RX+/Rx-和D+/D-)以及Vcc和GND线。提供高截止频率而相邻差分耦合线对之间不形成干扰是另一个设计挑战。

为支持USB 3.0电缆所包含的全部线路，设计人员需要一种全新的连接器。新的USB 3.0连接器必须向下兼容USB 2.0连接器。这些线路紧密靠近很可能会导致主机和设备侧的SuperSpeed线路发生静电放电(ESD)冲击。

超高速数据传输系统也要求极高的信号完整性，尤其是在接收端。这对于实现低误码率十分重要(例如，USB 3.0 SuperSpeed的典型误码率为10-12。)

在带宽不受限的完美系统中，信号完整性的测量眼图将完全打开。而在实际系统中，发送和接收阻抗以及电缆两端的所有寄生电容(位于USB3.0收发器内部和/或PCB外部)限制了信号的上升/下降时间。不匹配的PCB线路、USB 3.0连接器或其他并联电容器等均会导致外部寄生电容。还必须考虑到USB 3.0电缆的低通频率响应。通过在发送端和接收端利用专用均衡器改变信号可抵消高频内容的衰减。

SuperSpeed链路和USB 2.0传输链路采用了差分耦合90欧姆线路。链路内部的阻抗不匹配造成的信号反射会降低信号完整性。为避免出现这种情况，包括USB 3.0电缆在内的整个布局设计，应当实现90欧姆差分阻抗匹配。

为尽量降低“损害斜率(impair skew)”，并与电气延迟匹配，所有差分耦合线路均必须具有相同的长度(包括USB 3.0电缆中的线路)。高损害斜率会导致共模信号产生，从而影响EMI测试，同时影响信号的完整性。正确的阻抗匹配布局设计能避免这些问题。

USB3.0 SuperSpeed和USB2.0链路的布局考虑

在整个USB 3.0链路的设计中，应主要考虑下列因素：

所有PCB线路和互连电缆均采用完全阻抗匹配的90欧姆差分设计方案;必须最大限度地减少非差分耦合线路，因为非差分耦合线路会严重影响眼图张开度;差分线路的理想线路宽度为0.3毫米，线路间隔为0.2毫米，这可确保获得最低的损耗和足以应对PCB制造的坚韧性;介质高度为0.2毫米。差分耦合链路的正线和负线(包括USB 3.0电缆)之间的延迟(线路长度)完全相同，可最大限度地降低损害斜率。

USB 3.0的ESD保护

SuperSpeed USB的基本工作频率高达2.5GHz。为实现高信号完整性，数据信号的上升和下降时间必须非常短。对第3谐波甚至第5谐波的处理不应出现明显衰减。这必须通过尖端的半导体工艺来尽可能减小寄生效应，以获得最快的开关速度。这种微型半导体结构的缺点是对ESD冲击造成的过压的耐受能力降低。采用片上ESD保护装置会引起寄生效应(寄生电容)，还需要占用很大的芯片面积，因而永远无法达到系统级ESD保护性能。

一种十分经济高效的方法是将内部ESD保护结构(集成在USB 3.0收发器中)和提供外部ESD保护(在PCB上实现)的可靠、大电流应用电路结合使用。内部ESD保护结构旨在提供器件级保护(例如满足HBM JEDEC JESD 22-A115标准要求)，这对于开发、生产和电路板装配过程中的器件处理非常重要。外部ESD保护则提供系统级ESD保护，例如满足IEC61000-4-2标准要求。

为提供适当的USB 3.0系统级ESD保护，ESD保护器件(TVS二极管)必须能够处理大部分ESD电流，并使箝位电压保持在尽可能低的水平。后续器件可感应的残留ESD应力必须限制在该器件规定的范围内。

相关的TVS二极管特性包括：最低动态电阻(Rdynamic);针对应用设定的最低击穿电压(Vbreakdown)。

根据经验，可以计算出箝位电压Vclamp(无负阻效应)：可根据传输线路脉冲(TLP)的测定值得出动态电阻(图2)。

图2：专为USB3.0 SuperSpeed提供ESD保护而定制的英飞凌ESD3V3U4UL器件的TLP测定结果。

为确保应用的安全，击穿电压必须与所保护的线路上的最高信号电平相一致。最低的动态电阻结合最优击穿电压，可最大限度地减小IC上的残留ESD应力。

为满足USB3.0 SuperSpeed链路 的ESD保护需求，英飞凌(Infineon)专为该应用定制了一款动态电阻仅为0.2欧姆(典型值)、最高反向工作电压为3.3V(Vbreakdown最低5V)的TVS二极管(ESD3V3U4ULC)。

16A ESD冲击的箝位电压为9V，在同类产品中堪称佼佼者。二极管电容(二极管VS接地)的典型值为0.4pF。在不出现任何性能衰退的情况下，ESD处理能力超过20kV。按照IEC61000-4-2标准，16A TLP测试脉冲非常适合8KV接触ESD冲击，在30ns点上提供了16A的ESD电流。

为完成系统设计，需采用单独的TVS二极管来保护另外的USB 2.0链路。这些二极管必须提供稍高一些的反向工作电压/击穿电压，以支持全速和低速模式。英飞凌的ESD5V3U1U和ESD5V3U2U系列可提供最低5.3V的反向工作电压(Vbreakdown最低6V)和典型值为0.4pF的二极管电容。

仿真结果

分别在采用和不采用ESD保护的情况下，基于上述规范和布局规则，对图1所示的整条USB3.0 SuperSpeed链路进行了信号完整性仿真。规定USB 3.0电缆最长为3米。TVS二极管可安装在主机端和设备端。

在信号完整性仿真中，英飞凌根据USB3.0兼容性测试标准参数，实现了发送端信号去加重和接收端均衡化，并分析了经接收端均衡器处理之后的SuperSpeed信号的眼图。仿真过程采用的误码率为106。分别在未采用TVS二极管(红色线)和采用了TVS二极管(蓝色线)的情况下，推导出误码率为1012时眼图(图3)的张开度。

图3：在主机端和设备端带(蓝色)和未带(红色)TVS二极管的眼图。

虽然眼图长开度会略微减小，但相比USB 3.0技术规范所涵盖的(红紫色轮廓线)，该方法仍具有极大的安全裕度。

本文小结

成功的USB 3.0链路设计需要最佳的系统级ESD保护性能和毫厘不差的信号完整性。为同时满足这两个要求，ESD保护器件必须具有卓越的ESD保护性能和极低的器件电容。采用“阵列”配置的英飞凌ESD3V3U4ULC器件，加上清楚明了的布局设计和高质量链路(USB 3.0电缆)，将能够满足上述要求。