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技术方案
Amazingic晶焱科技：USB4 V2的静电防护方案
发布时间：2023-05-08 10:42:44
USB-IF在2022/10宣布USB4 V2做为下一世代USB的串流标准，由于欧盟订于从2024年开始，USB Type-C connector将做为手机或其他可携式产品的统一充电接口。为了符合欧盟市场的需求，将影响早先未支持Type-C接口的公司，改采Type-C接口来作为充电以及资料传输的介面，市场预期此变革将使得使用USB Type-C接口的产品数量有显著的成长。
由于近年来各影音平台的高密度串流需求与日俱增，使得资料中心以及周边装置皆需要提升传输速度以应对资料传输的需求。因此USB-IF将已发布将近四年的USB4提升至 V2版本，最大的变更即为将资料传输速率倍增为80 Gb/s。在不希望变更cable、connector以及PCB设计的前提下，USB4 V2是率先采用脉冲调变技术的USB通信标准。因为PAM-2的传输方式在旧有物理层的设计中讯号衰减过大，很难透过IC补偿来解决传输损耗的问题；而PAM-4的眼高又仅为传统NRZ的1/3，导致接收端信号还原相对困难，且对于杂讯的耐受余量过低。故在考量整体SNDR (Signal-to-Noise-and-Distortion Ratio)后选用PAM-3的传输以支援25.6 Gbaud/s的资料流，来实现每个时脉周期可传输两倍的资料量，并在讯号频率不提升的情况下让频宽加倍。由于未提升讯号频率，讯号的传输距离即不会受到衰减的影响，便可以继续沿用既有的物理层设计。 USB4 V2利用PAM-3三进制的编码方式进行传输时，可以将25.6 GBaud/s延伸至 40.22 Gbps Data Rate，再利用双通道的传输来达成80Gbps的超高资料速率。 (USB4 V2标示如图一)
图一 、USB4 V2 Logo
USB4 V2利用高速连接的特性来整合其他传输介面，借以完成资料传输、高画质影音以及快速充电等需求，未来随着Host端晶片配置于PC、NB等产品上，也将同步带动周边相关应用例如USB Hub、Docking等周边装置的需求起飞。早期USB会广受好评的主因为使用者的体验，尤其是随插随用及良好的相容性，为长期获采用的关键因素。一般消费者对于外部储存应用的存取速度需求，将有助于下一世代的USB4用量成长，例如外接式硬碟或NAS如采用USB4 V2，可以有效下降存读取的时间。另由于现今笔电及平板的设计讲究薄型化以及简约的俐落风格，相对来说对于其他介面的支援就受到限缩，企业级用户即往往需要使用Docking来对接USB4 V2扩充诸如HDMI、VGA、LAN等等的传输需求，也成为USB4 V2的另一个发展机会。
晶焱科技着眼于80Gbps高速讯号所带来的设计瓶颈，开发出仅有0.18pF寄生电容的单通道TVSAZ5B0S-01F (如图二) ，确保不会因传输路径上的阻抗突变造成信号完整度的issue，且由于PAM-3的眼高仅为NRZ传输方式的一半，故对于noise的耐受需更为谨慎。而DFN0603P2Y的小封装可提供PCB layout时较好的设计弹性(如图三)，也可将crosstalk的影响控制在容限内。另外AZ5B0S-01F操作电压为2.0V，能够支援USB Type-C alt mode的DP output，且在静电枪8kV轰击下钳位电压仅有5.5V，是兼具信号品质的可靠静电防护元件。
图二、Type-C ESD/EOS solution parameters
图三、USB4 V2 Type-C ESD/EOS solution layout
此外，因Type-C支援PD快充的功能，故VBUS 现今大多数客户会采用20V的设计，然而在Type-C每天多次的插拔后，因机构件松脱导致斜插，使得VBUS 误触到相邻的CC、SBU而产生返修的案件时有所闻。为避免上述的烧毁维修问题，许多产品品牌皆不约而同地建置了20V短路测试的内部规范，而为了防止直流20V烧毁操作电压仅为5V的TVS，晶焱科技特别开发Vrwm =5V、Vbr =26.5V的AZ5H25-01B，在20V短路测试时并不会误动作，有效降低了TVS的烧毁机率。
Type-C中的USB2.0应用是返修率最高的介面，经市场实证，提升TVS的Ipp值将可有效降低返修率。在此背景下晶焱科技推出AZ5515-02F将Ipp提高至11A，并采用DFN1006P3X的双通道封装，在保护能力提升的同时，也确保能满足客户紧凑型设计的需求。而在VBUS 的保护方案方面，晶焱科技推荐AZ4524-01F，其Ipp达到50A，可以有效防治电源插拔或是电压不稳所造成的突波�：�。
对于USB4 V2 Type-C中的各讯号线以及VBUS，晶焱科技皆有最妥适的解决方案以及市场经验提供防治的建议。晶焱科技将持续进行新世代保护元件的开发，在日新月异的高速讯号发展上，相信能即时因应客户的新需求与挑战。
Cite from: https://www.usb.org/sites/default/files/usb-if_usb_type-c_cable_logo_usage_guidelines_final_20230320.pdf
