使用USB端口保护陈列实现有源ESD保护

    许多便携式应用需要超过8kV的ESD 保护, 同时将电容保持在5p F以下。Z二极管能够单独满足这一要求, 但当与开关或结型二极管等低电容PN 二极管相结合时, 它们可同时满足该应用的以下两种要求: 低电容以及高E S D 和浪涌抗扰性。

    Z 二极管与小型P N 二极管的这种结合提供了单向保护器件。钳位电流只能朝一个方向流动, 如图l所示。添加另一个P N 二极管可打开反向通道, 从而使该保护器件实现双向保护。当正向和反向的钳位电压电平

    不同时, 这种器件具有双向及不对称的钳位行为(BiAs), 如图1。

图1 钳位行为示例

    当所有三个二极管完全放电时(二极管电容为空) , 具有0.5V 幅度的第一个信号脉冲将在正向驱动上方的PN 二极管D1 , 从而填充或加载Z 二极管ZD 较大的空电容。 根据脉冲的持续时间以及到下一次脉冲的中止,Z 二极管的电容通过充电已经到了更高水平, 因此下一次脉冲给电容的充人较少。 几次脉冲后, Z 二极管被完全充满, 因此随后的脉冲仅检测到这两个P N 二极管的电容较低。

    对某些便携式应用而言电容变化不是问题, 但对于其他应用, 每次脉冲时电容必须相同。对于这些应用,可将Z 二极管连接到电源电压, 例如USB 端口的Vbus, 在这里电源电压可对Z 二极管进行充电, 这两个PN 二极管仍保持在反向模式下, 从而使电容保持在最低水平。

    图2 所示的二极管阵列添加了VBUS054B 一HS3总线端口保护, 可保护双高速USB 端口, 以防瞬态电压信号。该阵列对略低于接地电平的负瞬态进行钳位, 同时在略高于5V工作电压范围对正瞬态进行钳位。

图2 VBUS054B 一HS3总线端口保护阵列可保护高速USB端口, 以防瞬态电压信号

    Z 二极管将电源线(在引脚5处为V BuS) 钳位到引脚2地线, 而高速数据线D1+、D2+、D1-及D2一与引脚l、3、4及6相连。只要数据线上的信号电压介于接地与Vbus电平之间, 低电容PN 二极管便会实现与V Bus、地线及其他数据线的极高隔离。但任何瞬态信号一超过该工作电压范围, 其中的一个P N 二极管便会恢复到正向模式, 并将该瞬态钳位到接地或雪崩击穿电压电平。因此, VBUS054B 一HS3可提供士15 kV 的高ESD 抗扰性, 同时提供符合便携式电子设备应用的低于lpF 的典型电容。

    VBUS054B 一HS3是一种单芯片解决方案, 因此线路电容间的差别非常小。 这对于D-和D + 这两条数据线而言非常重要, 因为该“数据线对”同时传输相同的数据脉冲, 但具有相反的极性。