シリアル インターフェイスとパラレル インターフェイスの両方の速度は、継続的に向上し続けています。たとえば、最新の高精細マルチメディア インターフェイス (HDMI) とUSB 3.1仕様では、それぞれ最大6Gbpsと10Gbpsの速度が実現されています。
ESD保護 規格
データ レートが高くなると、ビデオの解像度が高くなり、データ転送も高速になりますが、信号の品質に影響を与えずにインターフェイス デバイスを静電放電 (ESD) から保護することが難しくなります。
ESDによって引き起こされる損傷には、ゲート酸化膜の破壊、過剰なリーク、さらには金属相互接続の焼損などが含まれる可能性があります。デバイスの形状が縮小し続けると、障害を引き起こす可能性のある電圧と電流のレベルも大きくなります。
さらに悪いことに、一般的な高速インターフェースの多くはエンドユーザーが直接アクセスできるため、業界標準のESDテストであるIEC 61000-4-2は、完成品が実際の状況に耐えられることを確認することを目的としています。この規格では、ユーザーが特別な ESD予防措置を講じないことが前提となっているため、テストパルスは30 nsで最大16Aに達する可能性があります（IEC 61000-4-2レベル4、8kV接触放電）。
ESD保護回路: TVSダイオード
損傷を防ぐために、 インターフェース 設計者は、高速リンクの信号整合性を損なうことなくESDパルスをクランプする保護デバイスを追加する必要があります。
残念ながら、ESD保護を追加するとラインの静電容量も増加するため、これをできるだけ低く抑えることが重要です。ギガビット速度では、ジッタの増加や信号の劣化を引き起こす反射を回避するために、信号パス全体でインピーダンス整合を維持することが優先されます。
半導体ダイオードには、低いクランプ電圧、高速なターンオン時間、優れた信頼性など、多くの望ましい特性があります。 最近まで、ダイオードは他のアーキテクチャよりも高い静電容量を持っていましたが、新しいデバイスは1pF未満の静電容量を提供します。その結果、 過渡電圧抑制 (TVS) ダイオード が高速ESD保護の優先選択肢となっています。
図1に示すように、単方向と双方向の両方のTVSダイオードがあります。どちらのタイプも、通常の動作時には開回路になり、ESDイベント時にはグランドに短絡するように設計されています。 
図1: 双方向および単方向TVSダイオードの回路図 (画像ソース: Texas Instruments)
一方向TVSデバイスで正のESDストライクが発生すると、D1がオンになり (順方向バイアスになり)、そのブレークダウンがD2よりも小さいため、ツェナー ダイオードZ1を通って電流がグランドに流れます。負のESDストライクによりD2がオンになり、エネルギーが直接グランドに短絡されます。
双方向デバイスは、通常の動作中にD1もD2もブレークダウン状態にならない限り、グランドより上と下の両方で変動する信号に対応できます。ESD攻撃が発生すると、1つのダイオードがオンになり、もう1つのダイオードがブレークダウン状態になり、ESDエネルギーがグランドに放出されます。
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TVSダイオードの選び方: 主な仕様
高速インターフェース用のTVSダイオードを選択する際に評価する必要がある重要な仕様がいくつかあります。
I/O容量: TVSダイオードは、通常の動作中にグランドに対して寄生容量として現れるため、低容量であることが不可欠です。データ アイ ダイアグラムは、高速データ信号を表現および分析するために使用される手法です。図2に示すように、アイは、多くの波形サンプルを1つのグラフに重ね合わせて全体の信号の統計的表現を作成することによって形成されます。 
図2: TVSダイオードは、ESD8004 USB3.1アイダイアグラムに示されているように、高速ジッタに最小限の影響しか与えません（画像ソース： オン・セミコンダクター）
アイの「開き」は1ビット期間に対応します。アイが小さいほど、システム上のジッタが大きくなり、誤差範囲も小さくなります。追加の寄生容量は信号を劣化させるように作用し、アイが「閉じる」ことで現れます。図2に示すように、適切に設計された保護デバイスでは影響は最小限に抑えられます。
クランプ電圧: 前述したように、デバイスの形状が縮小するにつれて、ESDによる障害のしきい値は低下します。クランプ電圧は、通常の動作電圧を上回りながら、下流のデバイスを保護するのに十分低くする必要があります。
図3: TVSダイオードの電流と電圧 (画像ソース: Texas Instruments)
動的抵抗: ESDストライクは数ナノ秒しか続かないため、ダイオードはエネルギーを瞬時に接地に短絡させることができません。そのため、動的抵抗 (RDYN) と呼ばれる、ターンオン時間中の抵抗が重要になります。図3は、伝送線路パルス測定 (TLP) と呼ばれる手法を使用して測定されたRDYNを示しています。TLPは、パルス条件下で時間領域でデバイスの特性を評価します。理想的なTVSダイオードの動的抵抗はゼロになります。現在の最新技術では1Ω 以下です。
ESDレイアウトガイドライン
PCBレイアウトはESDパフォーマンスに大きな影響を与えます。PCB上のESD伝播を防ぐには、 ESD保護 デバイスをESD発生源のできるだけ近くに配置する必要があります。ESDストレスはインターフェース ケーブルの両側に伝播する可能性があるため、ケーブルの両端に保護デバイスが必要です。
PCBレイアウトでは、寄生インダクタンスと寄生容量も最小限に抑える必要があります。たとえば、GNDビアへのグランド パス リターンを短くすると、寄生インダクタンスが減少します。また、ESDデバイスの片側にコネクタ、反対側にトランシーバーを配置した対称フロースルー レイアウトでも寄生インダクタンスが減少します。高速インターフェース用のTVSダイオードは、この配置に最適化されたピン配置を使用します。図4は、4ラインの単方向デバイスであるSTの HSP061 のピン配置と推奨レイアウトを示しています。
図4: STのHSP061などの高速TVSダイオードには、フロースルーPCBレイアウトに最適化されたパッケージがあります。(画像出典: STMicroelectronics)
一般的なESDデバイス
多くのメーカーが高速インターフェース用のESD保護デバイスを提供しています。たとえば、Texas Instruments には、最大10Gbpsの速度で4チャネルのESD保護を可能にする TPD4E02B04 ダイオード アレイがあります。この部品は、フロースルー ルーティングを備えたUSON-10パッケージで、チャネルあたり0.25pFの静電容量を備えています。
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ON Semiconductor もこの市場で積極的に活動しており、同社の ESD8106 は、2つの高速ペアとD+/D-ラインを1つのUDFN14パッケージに統合することで、完全なUSB3.0ソリューションを提供します。また、 Littelfuseの PGB2010201KR ESDサプレッサはポリマー技術を採用しており、標準静電容量は0.07pFで、表面実装0201パッケージで提供されます。
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結論
インターフェース速度がギガビット範囲にさらに進み、動作電圧が引き続き低下するにつれて、ESD衝撃による損傷を軽減することがますます重要になっています。エンドユーザーと直接接触する可能性のある設計には、高速信号を劣化させない堅牢なESD保護システムを含める必要があります。
過渡電圧抑制ダイオードは必要な保護を提供しますが、適切なソリューションを実装するには、設計者はいくつかの重要な特性と手法を認識している必要があります。