Thunderbolt 5的ESD保護方案
- 尤嘉禾／台北
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Thunderbolt 5是最新一代高性能的數據傳輸技術，結合了高速資料傳輸速度、多功能擴展與強大電源供的優勢，廣泛應用於各種高階的電子設備產品，隨著影像技術不斷的提升，電腦、手機與相機的畫素越來越高，硬碟的容量也越來越大，使用者對資料傳輸的需求持續向上提升且對傳輸速度也更加要求。
而Thunderbolt 5規格可以提供80Gbit/s的雙向傳輸速度，將可以滿足使用者對傳輸速度愈來愈快的需求。為實現如此高速的傳輸速度，Thunderbolt 5控制晶片必須使用先進的半導體製程技術，但也造成Thunderbolt 5控制晶片對ESD的耐受能力快速下降。
Thunderbolt 5是建構在USB Type C的實體接口上，此介面除了可以將傳輸速率提高到80Gbit/s，而且還可快速充電，最大供電為240W。未來USB Type C接口將成為個人電腦、筆電及平板、智慧型手機、消費性等所有電子產品的主流接口，由於Thunderbolt 5是超高速的傳輸接口，在系統上是外露給使用者隨時可以插拔的接口，使用者最普遍的應用就是隨插即用、隨拔即關，然而這個熱插拔動作卻也經常是造成電子系統工作異常、甚至造成USB Type C控制元件毀壞的元兇，因為靜電放電（ESD）等暫態雜訊就是來自這個熱插拔動作。
在熱插拔中，由於接口端的訊號線已經帶電，本身就是個帶電的電纜在接觸系統時，形成放電動作。這種現象等同於靜電放電效應會對系統產生嚴重破壞，我們一般稱這種現象為直接放電。目前在系統的靜電放電測試上，越來越多的廠商要求以Direct-Pin Injection方式測試產品，以此來模擬系統在用戶端使用時所遭受到ESD事件。
除了原先必須通過IEC61000-4-2的規範外，有部分品牌廠商甚至規範其產品的USB Type C連接器需以Direct-Pin Injection方式測試必須通過±8kV的ESD轟擊，並且系統必須在不受任何影響之下通過測試。因此使用ESD保護元件於USB Type C介面來防止ESD事件對資料傳輸的干擾是絕對需要的。圖一為Direct-Pin Injection測試設置。
對於Thunderbolt 5的高速介面而言，在選擇ESD保護元件時必須考慮到：1、為確保Thunderbolt 5高速訊號傳輸時的訊號完整性，所以選擇ESD保護元件時，須選擇其寄生電容較低的ESD保護元件，建議寄生電容低於0.2pF。2、防護元件對ESD的耐受能力必須要高，最少要能承受IEC 61000-4-2接觸模式8kV ESD的轟擊。
3、ESD Clamping voltage最重要的參考參數， ESD保護元件若要能對系統提供有效保護，除了防護元件本身要能承受夠高的ESD轟擊外，還需要考慮箝制電壓是否夠低，使得ESD的能量能被箝制在更低的電壓以防止系統內部電路受到損毀，此箝制電壓是判斷ESD保護元件對於系統電路保護效能最重要的參數。
4、此介面還可提供快速充電技術，分別可以支援電壓5V/9V/15V/20V/28V/36V/48V，而有線充電由於熱插拔的方式會再電源線上產生頻繁ESD/EOS問題，因此須在系統上採用更加完善的外部突波ESD/EOS保護方案設計。
晶焱科技擁有先進的ESD防護設計技術，特別針對Thunderbolt 5的防護需求， 推出AZ5BFS-01M的ESD防護元件。為避免防護元件的寄生電容影響Thunderbolt 5差動訊號的高速傳輸，AZ5BFS-01M的寄生電容已低於0.2pF，能夠順利通過80Gbit/s的Eye Diagram測試。
最重要的，AZ5BFS-01M產品擁有極低的ESD箝制電壓，能夠有效地協助Thunderbolt 5介面通過以Direct-Pin Injection方式的±8kV靜電放電轟擊。圖二為利用TLP量測AZ5BFS-01M產品的電流對電壓曲線。在IEC 61000-4-2接觸模式8kV的ESD衝擊下（等效TLP電流約為16A），箝制電壓僅有6.5V，能有效避免系統產品於ESD測試時發生資料錯誤、當機甚至損壞的情況。
在電子產品朝向輕薄短小的發展趨勢下，產品的印刷電路板（PCB）也隨之越來越小，但在產品功能強大的要求之下，線路也變得更加複雜，因此PCB的面積已變得寸土寸金，造成產品設計時相當大的困擾。
AZ5BFS-01M產品採用超小型MCSP0603P2YS 封裝，尺寸僅 0.6mm x 0.3mm，高度僅 0.25mm，主要保護Thunderbolt 5的4組差動對（TX和RX），另外只需使用一顆AZ1045-08F就可保護其餘的訊號線（D+/D-/CC/SBU）， 特別的是AZ1045-08F採用交錯型式的接腳，以提供PCB Layout時可利用穿透式（Feed through）的設計，可免除佈線時的諸多困擾，不但對縮短產品設計階段的PCB Layout工作有相當大的幫助外，還可以縮小PCB面積來達到節省系統成本。
此接口還可提供快速充電，在電源端需在選用一顆ESD防護元件，依設計的電壓來選用合適的ESD元件（AZ3105-01F/AZ4510-01F/AZ4516-01F/AZ4520-01F/AZ4528-01F/AZ4536-01F/AZ4548-01F）來保護，此時就可以完整地保護此接口不受ESD/EOS的威脅，圖三即為完整的Thunderbolt 5介面的ESD/EOS解決方案保護線路。
