如果我们考虑理想的ESD保护器件,则在钳位所有过电压瞬变以将被保护系统保持在其安全工作区域时,不会影响信号完整性。也不需要额外的空间或路由。

在寻找适用于快速数据线的“理想”ESD保护解决方案时,需要考虑三个主要挑战:信号完整性、系统级ESD鲁棒性和管脚尺寸。为了解决信号完整性,我们需要一种具有低电容和低电感特性的ESD保护器件,而这通常会被忽略。从系统级ESD鲁棒性的角度来看,低钳位电压逐渐变得比ESD保护器件本身的鲁棒性更为重要。遇到潜在故障条件时,数据线可能会与电源线短路,因此保护器件的浪涌鲁棒性再次变得非常重要。Nexperia通过使用先进的TrEOS硅技术和源自晶圆级芯片尺寸封装(WL-CSP)技术的先进封装来应对这些挑战。

但是,减少ESD保护管脚尺寸的最佳方法是什么?一种显而易见的方法是只需缩小封装尺寸。Metric 0603封装(0201”)现在已成为移动行业公认的标准,并迅速成为计算行业的标准。

更小的0402 metric(01005”)已用于空间要求严苛的应用。由于USB4数据线的RF需求,以及回波损耗之类的参数变得越来越重要,当使用更窄的焊盘时(从0603变为0402),如果对比在此封装中使用相同的二极管,回波损耗会更低。但是,更小的封装会对组装技术提出更高的要求。

在相同的管脚尺寸内提供加倍保护

一种替代方法是采用Nexperia的新型DFN0603-3 (SOT8013)封装打造二合一解决方案,在使用现有0603 (0201”)管脚尺寸的同时,保护两条线路(差分线对)。

透明顶视图封装对比

DFN0603-3概念具有以下优点:

  • 二合一的方式,意味着占用一个器件的管脚尺寸即可提供两个保护器件
  • 几乎无需额外的空间,即可保护差分线对。
  • 在一块芯片上配备两个ESD保护器件可提供极高的对称性,从而确保差分数据线上的非常出色信号完整性。
  • 较小的焊盘能够减少系统的回波损耗。
  • DFN0603-3是行业标准的封装

Nexperia已经 采用这个DFN0603-3封装,并为其添加TrEOS ESD保护。这意味着该产品系列可根据需要提供低至0.2 pF的电容、高达11 A的浪涌鲁棒性以及在8 A 8/20 µs浪涌时4.4V的钳位电压。

DFN0603-3的配置原理图

增强RF性能

因此,我们获得了很高鲁棒性和很低钳位。但是RF性能如何?从应用方面,我们强烈建议将中间引脚连接至GND。该器件旨在保护超高速差分数据线,因此保护应尽可能对称。

请快速浏览安装在测试板上的PUSB3BB2DF的20 Gbps Thunderbolt眼图(该板尚未去嵌),我们已经看到了新型DFN0603-3封装提供出色RF性能的潜力。

Thunderbolt眼图,带PUSB3BB2DF的PCB; 数据速率:20 Gbit/s,GND在引脚2上
Thunderbolt眼图,带PUSB3BB2DF的PCB; 数据速率:20 Gbit/s,GND在引脚2上

由于该器件还具有HDMI功能,因此我们使用HDMI2.1眼图 - 12 Gbps FRL、8dB测试了PUSB3BB2DF的性能,更令人感兴趣的是使用最差电缆型号3。同样,测试板未去嵌,DFN0603-3在保护超高速数据线时表现出优异的RF性能。

HDMI 2.1 12G FRL TP2,最差电缆型号,8 dB眼图,带有PUSB3BB2DF的PCB
HDMI 2.1 12G FRL TP2,最差电缆型号,8 dB眼图,带有PUSB3BB2DF的PCB

经过验证的保护功能可节省空间

Nexperia的新型DFN0603-3封装提供了一种二合一解决方案,其中两个ESD保护器件仅共同占用一个器件的管脚尺寸。同时还保留了TrEOS技术的优势,具有很低的电容、钳位和很高的鲁棒性,并且还在超高速数据线上显示出色的RF性能。