ESD 选择-高速接口-转自电浪David

ESD/TVS的选择与其保护的应用接口息息相关，除了ESD/TVS的操作电压必须大于或等于保护线的操作电压之外，若是应用在高速的传输接口保护上，ESD/TVS的寄生电容值也必须加入考虑，否则可能会造成讯号传输波形的失真。但也有少数设计工程师因过度追求讯号完整度，而在讯号线要求过低电容值的ESD/TVS，造成可选择的防护器件的钳位电压过高，如此会严重影响防护效果。

本文将针对高速接口的传输速度说明ESD/TVS的选择方案，并且透过反射损耗来估计高速讯号的最大容许电容值，避免设计工程师挑选过小或过大电容值的防护方案。

如图1，讯号在线对地电容的大小会造成讯号的上升与下降时间变慢，进而造成讯号的波形失真，对地电容越大则会使上升与下降时间越慢。当讯号的失真程度大过IC可以辨别的阀值情况，则有误码的情况产生。因此在高寄生电容的情况下，要解决误码情况则需要增长Bit Time使得讯号有足够时间上升或下降至判断阀值区，进而造成讯号传输速度变慢。

从时域的波形中较难量化电容值的大小将造成多严重的讯号失真，因此在高速讯号或射频线路的设计中，会透过FFT (Fast Fourier Transform) 将时域转换为频域来做表示，即S参数 (S-Parameter)，如: S11 Return Loss (反射损失) 与S21 Insertion Loss (插入损失)。

S11 Return Loss 描述当传输线两端阻抗不匹配时，电磁波在两接口间产生反射，而反射波与入射波功率的功率比值即Return Loss。ESD/TVS在电路上的应用需与终端阻抗并联到地，故会增加电容性负载，使得阻抗发生变化。

假设单端传输线阻抗为50 Ω的理想正弦波，普遍射频工程上以S11小于 -10dB来判别是否阻抗匹配，当S11小于 -10dB时，代表入射功率可以传送超过90%至负载端。接着计算不同操作频率下的等效电容值，我们就可以得到图2中的红色线，藉此来判断不同速度的高速接口，其ESD/TVS的寄生电容值选择上限。

以USB4为例，其单一条Tx/Rx的最高传输速度可达20 Gbps，操作频率可等效为10 GHz的基频，因此从图2中可以观察到，一条高速线在S11= -10 dB的情况下，最大可容许约0.29 pF的寄生电容。

不同的传输接口，讯号衰减忍受程度都不同，各系统设计时可以留给 ESD/TVS 的余量也不同，最后我们可以从各传输接口的眼图条件 (讯号衰减程度) 来判别ESD/TVS容许的寄生电容大小。