راهکارهای طراحی برای یکپارچگی سیگنال USB، HDMI و RJ45

1. زمینه و چالش‌های طراحی

   در رابط‌های ارتباطی با سرعت بالا مانند USB، HDMI و RJ45، پدیده تخلیه الکترواستاتیک (ESD) یکی از مهم‌ترین تهدیدهای قابلیت اطمینان است.

بر اساس استاندارد IEC 61000-4-2، نوسانات تخلیه می‌توانند به مقادیر ±8 کیلوولت (تماس) و ±15 کیلوولت (هوا) برسند.

در صورت عدم وجود حفاظت مناسب، ولتاژهای گذرا می‌توانند به‌سرعت آیسی‌های رابط را خراب کنند، خطاهای داده ایجاد کنند یا عمر محصول را کاهش دهند.

2. اهداف کلیدی طراحی

راه‌حل ایده‌آل حفاظت در برابر ESD باید دارای ظرفیت خازنی پایین، پاسخ سریع و ولتاژ کلامپینگ پایین باشد — به‌گونه‌ای که چندین خط را محافظت کند و در عین حال کیفیت سیگنال را در نرخ داده‌های 480 مگابیت بر ثانیه (USB2.0) تا 10 گیگابیت بر ثانیه (USB3.1، HDMI2.1) حفظ نماید.

3. مجموعه محصولات حفاظت ESD جارون

جارون مجموعه کاملی از محصولات حفاظت ESD را ارائه می‌دهد که برای خطوط سیگنال با سرعت بالا طراحی شده‌اند و شامل ساختارهای آرایه‌ای تک‌کاناله، دوکاناله و چهارکاناله می‌شوند.

محفظه ESD شرکت JARON دارای خازن بسیار کم (تا حداقل 0.3 پیکوفاراد) و زمان پاسخ‌دهی زیر نانوثانیه است که برای محافظت از USB3.1، HDMI2.1 و اترنت گیگابیت مناسب می‌باشد.

4. اصول طراحی برای رابط‌های پرسرعت

حفظ یکپارچگی سیگنال

اطمینان حاصل کنید که از دستگاه‌های ESD با خازن ≤ 0.5 پیکوفاراد استفاده شود و امپدانس دیفرانسیلی یکنواخت در طول مسیرها حفظ شود تا از بازتاب و اعوجاج سیگنال جلوگیری شود.

کاهش مسیر بازگشتی

محافظت ESD را نزدیک به کانکتور (فاصله کمتر از 5 میلی‌متر) قرار دهید و اطمینان حاصل کنید که چندین via زمین برای مسیرهای سریع تخلیه فراهم است.

چیدمان و تقارن

چیدمان متقارن و تطبیق طول در جفت‌های دیفرانسیلی، دقت زمان‌بندی را حفظ کرده و جیتر را در ارتباطات پرسرعت کاهش می‌دهد.

5. اعتبارسنجی و نتایج آزمون

شرایط آزمون:

استاندارد تست ESD: IEC 61000-4-2 تخلیه تماسی ±8kV

نرخ سیگنال: 10Gbps (HDMI 2.1)

تجهیزات: JARON ESD3V3D5U (SOD-923)

با استفاده از آرایه‌های ESD جارون، ولتاژ باقیمانده از 54 ولت به 12 ولت کاهش یافت، نویز جیتر 71٪ کاهش پیدا کرد و نرخ خطای بیت به میزان 1,000,000 برابر بهبود یافت — که عملکرد عالی‌تر ESD همراه با حفظ کامل سیگنال را تأیید می‌کند.

6. مثال‌های کاربردی

رابط پرسرعت USB Type-C

از JARON ESD9L5V0ST برای محافظت چهار کاناله در حالت مشترک استفاده می‌کند؛

قابلیت تحمل تخلیه هوای ±15kV;

پهنای باند سیگنال تا 10 گیگابیت بر ثانیه پشتیبانی می‌شود.

رابط ویدئویی HDMI 2.1

از آرایه ESD3V3D5U استفاده می‌کند؛

خازن‌ها تنها 0.3 پیکوفاراد هستند و روی سیگنال‌های دیفرانسیلی TMDS تأثیر نمی‌گذارند؛

کاهش نویز EMI به میزان 16 دسی‌بل.

رابط اترنت RJ45

از ESD5V0D3B استفاده می‌کند؛

ساختار محافظت دوطرفه، سازگار با سیستم‌های PoE؛

ضربات صاعقه و ولتاژهای ناگهانی الکترواستاتیک را سرکوب می‌کند.

7. جدول مرجع انتخاب

8. استانداردها و سازگاری

تمامی قطعات ESD جارون استانداردهای بین‌المللی از جمله IEC 61000-4-2 و JEDEC A114 را رعایت می‌کنند و سازگاری با فرآیندهای صلاحیت‌گیری OEMهای جهانی را تضمین می‌نمایند.

۹. ارزش مهندسی و مزایای طراحی

دستگاه‌های ESD با ظرفیت بسیار پایین JARON، یکپارچگی سیگنال با سرعت بالا را همراه با محافظت قوی ±15 کیلوولت فراهم می‌کنند و در عین حال فضا، هزینه و زمان اعتبارسنجی را به حداقل می‌رسانند.

10. نتیجه گیری

در رابط‌های انتقال داده با سرعت بالا، دیودهای سنتی ESD دیگر نمی‌توانند به طور همزمان محافظت و یکپارچگی سیگنال را تأمین کنند.

آرایه ESD با خازن بسیار پایین JARON از طریق سرعت پاسخ‌دهی بالا و اثرات انحرافی بسیار کم، تعادل مهندسی بین محافظت و عملکرد را برقرار می‌کند.

این فناوری به‌طور گسترده در طراحی‌های رابط سریع مانند USB Type-C، HDMI، اترنت و DisplayPort استفاده شده و به راه‌حل استانداردی برای محافظت دستگاه‌های ارتباطی نسل بعدی تبدیل شده است.