PCIe 4.0 的最佳 ESD 解决方案

[导读]PCIe，PCI-Express的简称，是一种高速串行计算机扩展接口标准，具有高速串行双向传输和大带宽的特点。成为主流的接口传输标准之一。在系统设计方面，SSD 技术的加速发展，除了用作扩展卡或显示卡的传统 PCIe 插槽外，还鼓励开发用于连接 SSD 的 M.2 和 NVMe 连接器。为了避免 CPU 频带限制妨碍显卡和 SSD 发挥最佳性能，我们开发了 PCIe 4.0 来接听电话。

PCIe，PCI-Express的简称，是一种高速串行计算机扩展接口标准，具有高速串行双向传输和大带宽的特点。成为主流的接口传输标准之一。在系统设计方面，SSD 技术的加速发展，除了用作扩展卡或显示卡的传统 PCIe 插槽外，还鼓励开发用于连接 SSD 的 M.2 和 NVMe 连接器。为了避免 CPU 频带限制妨碍显卡和 SSD 发挥最佳性能，我们开发了 PCIe 4.0 来接听电话。

PCIe 3.0 以 8Gb/s 传输数据，而 PCIe 4.0 是 16Gb/s 的两倍，但仍然具有向上和向下兼容的便利，也就是说 PCIe 3.0 设备可以插入 PCIe 4.0 插槽，反之亦然. 双倍的传输速率将原来连接所需的通道数量减少了一半，这为系统设计提供了更大的灵活性，因为现在 CPU 上有更多通道可用于连接更多设备，例如作为 GPU 和 NVMe SSD。这消除了系统设计的瓶颈，GPU或SSD直接连接CPU在很大程度上摆脱了延迟的影响。

本文旨在解释 PCIe 4.0 解决方案。展望未来，英特尔宣布将Alder Lake-S平台上的PCIe接口从Rocket Lake上的PCIe 4.0升级到PCIe 5.0。PCIe 4.0仍然是市场上显卡连接CPU的主要端口，但Alder Lake-S有望为未来的显卡提供支持x16的PCIe5.0。另一方面，为 NVMe SSD 提供 x4 PCIe 4.0 以吸引桌面玩家并实现更快的计算机启动。对于 AMD 来说，对 PCIe 5.0 的支持有望在 Zen 4 架构上看到。

各大CPU厂商竞相升级PCIe接口，提升设备连接性能，满足消费者对数据流的需求。除了消费市场，数据中心和超级计算机都需要极端的数据传输。边缘计算、人工智能和 5G 网络的需求是巨大的。数据存储需要大量的服务器，其中使用了大量的 NVMe SSD。NVMe 支持热插拔，这使数据中心工作人员更容易排除硬盘驱动器错误。然而，这种热插拔场景给系统带来了 ESD 浪涌的极端威胁。今天的 SSD 通过 PICe 4.0 NVMe 连接器将数据直接传输到主芯片。目前，大部分主要芯片都采用先进的 10nm 工艺或以下工艺制造，而ESD浪涌引起的系统芯片损坏成为系统厂商头疼的问题。在传统的主板和台式机市场，铁杆玩家经常会自行更换 PCIe 接口设备，例如显卡或网络扩展卡。有时，ESD浪涌会通过PCIe插槽对内部芯片造成不可逆转的损坏。

对于这样的应用，Amazing Microelectronic 推荐使用带有 PCIe4.0 Tx.Rx 信号电缆的 5V 0201 解决方案AZ5B75-01B 。可忽略的寄生电容保证了 PCIe 4.0 的传输质量。另外，最近也出现了PRSNT管脚和PCIe_CLK管脚被退回维修的情况，AZ5B75-01B对于上面这两个信号也很完美。无与伦比的钳位电压为 PCIe 端口的静电放电提供了有效的整体保护，有助于提高高速传输应用的可靠性。

随着存储设备的发展，存储应用的需求逐渐从SATA 3.0演进到PCIe 4.0 (Gen4x4) U.2 SSD。作为提高存储速度和效率的最大优势，END 客户可以替换吞吐量为 7.88 GB/s 的 PCIe 4.0 Gen4x4，以改善 5G 市场的应用需求。服务器存储设备采用PCIe 4.0 (Gen4x4) U.2企业级SSD，为服务器提供更高的数据传输速度和更快的存储效率，减少搜索时间。

目前，服务器选择PCIe 4.0 (Gen4x4) U.2 SSD的价格也高很多。将服务器系统升级到 PCle 4.0 (Gen4x4) U.2 SSD 时，需要进行热插拔以更换存储设备。在这种情况下，PCIe 4.0 (Gen4x4) U.2 SSD 理所当然地会受到 ESD/EOS 的影响，这可能导致系统运行异常，甚至导致 SSD 损坏导致存储在服务器中的数据丢失。

SSD中使用的保护元件要求

SSD中使用的TVS二极管等保护元件必须满足以下所有三个要求：

TVS 二极管的封装尺寸应慎重考虑(建议安装尺寸小于 2.0 mm x 2.0 mm 的 TVS 二极管)，以避免存储设备 PCB 上的保护元件放置问题。

在 PCle 4.0 (Gen4x4) U.2 SSD 的高速信号上配置 TVS 二极管时，需要注意的是，此类保护元件的寄生电容应尽可能低(ESD 保护元件 < 0.2pF 为推荐的)。否则，在进行数据传输时会降低传输速率。

最后也是最重要的一点是将保护元件在 ESD 事件期间提供的钳位电压限制在尽可能低的水平，以防止芯片内部出现任何损坏的可能性。

满足以上三个要求是必不可少的，没有这三个要求，SSD就无法得到彻底的保护。然而，设计满足所有三个要求的 TVS 二极管是一项艰巨的挑战。

AZ5B8S-01F系列采用DFN0603的封装结构。它可能是 ESD/EOS 保护的最佳选择，适合 PCB 上有限且不足的空间。

最重要的是AZ5B8S-01F具有极低的ESD钳位电压，可以有效防止ESD干扰的传输。它使连接到 SSD 的电子系统能够提高通过 IEC 61000-4-2 的标准 A(系统级测试的 ESD 标准)的机会。在使用 TLP(传输线脉冲)测量 AZ5B8S-01F 后观察到 TLP 提供的钳位电压(如图 1 所示)。

在IEC 61000-4-2标准中8kV接触测试(TLP电流相当于16A)的ESD冲击下，ESD钳位电压仅为5.5V，有效防止数据错误、系统崩溃，甚至损坏存储系统在 ESD 测试期间。