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高效能PPTC/ESD保护元件助使游戏机高速接口信号更完整

时间:2014-06-22 来源:新电子 编辑:编辑部 点击:次 字体设置:
USB 3.0和HDMI等高速传输介面,已是高阶游戏机的必备规格,因此开发人员必须善加利用聚合物正温度系数(PPTC)与静电释放(ESD)保护元件,以防止因静电或电源波动等因素,造成介面讯号品质下降,影响消费者使用体验。

以微软(Microsoft)和索尼(Sony)为代表的一体式全新游戏娱乐设备,因其出众的硬体配置及完美人机通讯,为众多游戏爱好者带来全新娱乐体验。新一代游戏主机备有高阶硬体配置,其中包括一到两个通用序列汇流排(USB)3.0介面、高解析度多媒体介面(HDMI)输入/输出(I/O)介面、高容量机械硬碟和蓝光光碟机。

因应高传输/高频率热插拔 电路保护元件防止介面损坏

游戏爱好者在意良好的游戏体验,而设计者则着重设计出高性能且高可靠性的设备,以满足各种不同需求。为适应高速资料传输速率和高频率热插拔的应用环境,设计上务必要保护上述介面,以免因消费者误用,或是静电、电源波动等因素造成损坏。  

在低压小功率电子设备所使用的自复式聚合正温度系数元件(PPTC),可用来保护精密的电子元件及周边设备;若处于自复功能不可取或不实际的应用系统中,通常会使用片式的表面黏着熔断器。  

游戏娱乐设备也容易因过高的瞬变电压而损坏,其中包括它所在的工作环境,及热插拔产生的静电放电(ESD)脉冲。工程师通常使用ESD保护元件,来保护这些易于接触的通讯介面或部件。  

对于游戏娱乐设备的电路保护元件,在设计上须考量以下因素:  

.PPTC过流/过热保护

PPTC与传统一次性保险丝(Fuse)的过流保护元件不同,已广泛应用于消费性电子产品中,此类元件具有自复功能,可装在各种直流(DC)电源埠,实现电流故障保护;产品具备多种不同电气性能和尺寸,便于实现各种精确度要求的保护设计方案。在选择PPTC元件时,主要应考虑在最高工作环境温度下,元件的保持电流额定值,是否和设备在正常工作时的有效电流匹配。  

.表面黏着熔断器

电流大、尺寸小的表面黏着熔断器,产品上分为熔断快和熔断慢两种;它们的熔断特性都应干净俐落,熔断过程于封装内进行;两者抑制电弧的特性应当良好,并能承受冲击和振动。  

.ESD保护元件

高速I/O埠须使用电容小的ESD保护元件,可保持讯号品质不会下降。保护元件应适合高速资料传输线路,以及无线电频率资料线路,并能承受无数次ESD瞬变电压;须符合危害物质禁用(RoHS)和国际静电放电的国际规范IEC61000-4-2要求;此外,电容小、触发电压低及回应时间短,这些都是ESD保护元件须具备的重要特性。  

供电量增加 USB 3.0电源保护需求显现

USB 2.0虽为现今最广泛的资料传输介面,但USB 3.0以其5Gbit/s超高的资料传输速率,和更强的电源供电能力,使其广泛应用于新一代消费性电子产品中。因USB 3.0 Vbus供电能力增加,使USB电源埠在过流保护方面的保护需求一并提高。  

因表面黏着PPTC针对低压、小功率电源I/O的过流过热具备可恢复保护,在消费性电子产品中应用十分广泛;其特点是在相对经济成本下,可满足短路和UL60950标准要求的限功率源(LPS)保护时间要求,当故障排除后可自动恢复(图1)。  


                           图1 PPTC在USB 3.0电源埠的过流保护示意图

[@B]PCB布局/元件选择并重 高速介面ESD防护更完善[@C] PCB布局/元件选择并重 高速介面ESD防护更完善

新一代游戏机除了提供丰富的游戏体验外,更融合了各种娱乐类型,如大型数位音乐库、数位图像、高画质视频等功能,进而对资料传输产生更高要求。  

为因应新的传输需求,当前一体式游戏主机上都配置了USB 3.0和HDMI 1.4高速介面,其中HDMI 1.4的资料传输速率高达3.4Gbit/s,而USB 3.0更达到5.0Gbit/s的传输速率。  

新的USB 3.0必须与USB 2.0相容,因此在全新连接器的有限空间内,必须包含全部接脚;但这些线路都靠得很近,可能会导致主机和设备侧的讯号线路发生ESD冲击。  

在保证ESD安全的同时,超高速资料传输系统也要求极高的讯号完整性,尤其是在接受端,这对于实现低误码率将十分重要。  

在频宽不受限的完美系统中,讯号完整性的测量眼图将完全打开;而在实际系统中,发送和接收阻抗以及电缆两端的所有寄生电容(位于USB 3.0收发器内部或印刷电路板(PCB)外部),限制了讯号上升/下降时间。不匹配的PCB线路、USB 3.0连接器或其他并联电容器等,均会产生外部寄生电容。  

PCB板上USB 3.0的链路布局对于超高速资料传输尤为重要,须通过走线来控制讯号线的阻抗匹配、差分线对以及线对之间的长度匹配、保证线对内和线对间的电气延迟匹配,以确保讯号完整性。  

因此,对超高速讯号传输系统的静电放电防护,不仅是透过积体电路(IC)整合ESD元件,或外部具有大电流能力的ESD元件就能完全解决的问题,它需要ESD元件的高性能、PCB布局设计与机械设计的综合考虑,才能实现完善的埠ESD保护。  

以TE的电路保护部SESD系列为例,该系列产品具大电流处理能力,ESD接触放电能力高达20千伏特(kV),可将大部分ESD电流通过瞬态电压抑制器(TVS)管导通到地,并尽可能把箝位电压保持在较低水准,使后续元件可感应残留ESD应力,限制在元件内部整合的ESD,或元件本身可承受的范围内(图2)。  


                    图2 USB 3.0物理通讯链路主机端和设备端的ESD保护电路示意图

图3为USB 3.0介面在5Gbit/s速率下,安装和不安装电路保护元件的实测眼图,从眼图中可以看出,即使在超高速的USB 3.0应用中,使用静电保护解决方案后仍具有极大的安全设计裕度。  


                 图3 未安装(左)和安装(右)SESD的USB 3.0埠之眼图比较

相较于USB 3.0,HDMI 1.4并非在HDMI 1.3的基础上提升传输速率,资料传输率仍保持在3.4Gbit/s;虽然其传输速率低于USB 3.0的5Gbit/s,但对于多数高电容ESD产品已无法适用(图4、5)。  


               图4 基于SESD系列的HDMI 1.4的ESD保护


             图5 未安装(左)和安装(右)SESD的HDMI 1.4埠之眼图比较


过流保护由结构设计做起

完善过流保护方案须权衡电源的工作电流、故障电流及工作温度等条件;而对于ESD保护则须在高性能、低电容产品基础上,进行产品的布局和机械结构设计,以达到最佳的ESD保护性能,并取得系统讯号的完整性。  (本文作者任职于TE)
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