أصبح المستهلكون اليوم يعتمدون بسرعة على الأجهزة المحمولة التي تتضمن معيار واجهة الاتصال USB-C أو USB من النوع C - من الهواتف الذكية والأجهزة اللوحية إلى الأجهزة القابلة للارتداء وأجهزة الكمبيوتر المحمولة. يتضاعف منفذ USB أيضًا كمنفذ الشحن السريع لمعظم هذه الأجهزة أيضًا. ونتيجة لذلك ، فإن تصميم حماية قوية ضد التفريغ الكهروستاتيكي (ESD) وظروف السخونة الزائدة لم يكن أكثر أهمية من أي وقت مضى.
قام منتدى USB-Implementers (USB-IF) بترقية المعيار من خلال أربعة مراجعات رئيسية.1 تم توحيده لأول مرة في عام 1996 وكان يتطور بسرعات أعلى ويسمح بمزيد من القدرة على تحمل الطاقة. بدأ معيار USB بالإصدار 1.0 وتطور خلال الإصدار 2.0 و 3.x الإصدارات ، وهو حاليًا يصل إلى المراجعة 4 ، USB4. الجدول 1 يسرد الإصدارات من 2.0 إلى USB4 ويوضح كيفية زيادة الحد الأقصى للإنتاجية لكل إصدار بشكل كبير.
الجدول 1. تطور معايير USB يظهر زيادات في معدلات نقل البيانات. (المصدر: Littelfuse، Inc.)
للتعامل مع معدلات نقل بيانات أعلى وإيصال طاقة أعلى ، تم تحديث كابل وموصل USB من النوع C للمراجعة 2.12 وتم تحديث معيار USB-PD (توصيل الطاقة) إلى المراجعة 3.1. الشكل 1 يُظهر الموصل من النوع C الذي يمكنه تنفيذ مجموعات ميزات USB المحسّنة. تسمح مراجعات PD بشحن الأجهزة وتشغيلها من خلال واجهة USB. زادت السعة القصوى للطاقة من 2.5 واط (5 فولت عند 0.5 أمبير) إلى 100 واط (20 فولت عند 5 أمبير) إلى نطاق طاقة ممتد يبلغ 240 واط (48 فولت عند 5 أمبير). ستفتح سعة الطاقة الأعلى تطبيقات جديدة للطاقة والشحن لـ USB-C مثل أجهزة الكمبيوتر المحمولة المخصصة للألعاب ، ومحطات الإرساء ، وشاشات 4K ، وأجهزة الكمبيوتر المتكاملة.
الشكل 1: موصلات USB من النوع A و Type-C. يحتوي الموصل من النوع C على 24 سنًا مقارنةً بأربعة دبابيس للموصل من النوع A. تبلغ درجة تلامس الإشارة للموصل من النوع C 4 مم. انقر للحصول على صورة أكبر. (المصدر: Littelfuse، Inc.)
التحديات التي تواجه موثوقية المنتج
بينما أدت المعايير المتطورة إلى تحسين معدلات نقل البيانات وزيادة قوة الشحن ، فإن المعايير لا تنص بشكل مباشر على طرق محددة لحماية واجهة USB من المخاطر الخارجية. ستتناول هذه المقالة طرق التخلص من احتمال الفشل من ESD وظروف ارتفاع درجة الحرارة. هذه التقنيات ضرورية لضمان منتج أكثر موثوقية وقوة.
حماية منافذ USB من ESD
إلكتروني تعتبر الدوائر مثل منافذ USB التي تتعرض للبيئة الخارجية من خلال الكابلات والموصلات أهدافًا محتملة لـ ESD. يمكن أن تحدث ضربات ESD من خلال الاتصال المباشر من شخص ما أو من خلال الهواء إذا كان مصدر الطاقة يتجه إلى جهاز إلكتروني الدارة الكهربائية. يمكن أن تصل ضربات التفريغ الكهروستاتيكي (ESD) إلى 30 كيلو فولت أو أكثر مع أوقات ارتفاع سريعة ويمكن أن تذوب آثار السيليكون والموصلات بتيارات تصل إلى 30 ألفًا ، ويمكن أن تتسبب ESD ، مع هذا القدر الكبير من الطاقة ، في حدوث فشل كامل للمكونات.
بالإضافة إلى ذلك ، يمكن أن تتسبب ضربات التفريغ الكهروستاتيكي بأضرار أكثر دقة. يمكن أن يتسبب التيار الناتج عن ESD في حدوث إخفاقات طفيفة بما في ذلك تغيير الحالة في جهاز منطقي أو مزلاج أو سلوك غير متوقع. هذا يمكن أن يؤدي إلى تلف تدفق البيانات. يجب إعادة إرسال البيانات مما يؤدي إلى إبطاء معدل نقل البيانات. في حالة فشل المزلاج ، سيحتاج النظام إلى إعادة التشغيل. يمكن أن يتسبب التفريغ الإلكتروستاتيكي أيضًا في حدوث خلل كامن لا يزال المكون يعمل فيه ولكنه يتدهور ويمكن أن يفشل قبل الأوان.
يجب أن تكون المنتجات قوية في التعامل مع البيئة والتنمية المستدامة لتحقيق موثوقية عالية. يجب أن تتوافق أيضًا مع المعايير الدولية مثل IEC 61000-4-23 لتمكين المبيعات في جميع مناطق العالم. الشكل 2 يوضح شكل موجة اختبار محاكى لـ ESD محدد بواسطة IEC 61000-4-2 والذي يجب أن يكون المنتج قادرًا على تحمله للحصول على شهادة CE.
الشكل 2: شكل موجة اختبار ESD كما هو محدد في IEC 61000-4-2. (المصدر: Littelfuse، Inc.)
هناك مجموعة واسعة من المنتجات المتاحة لحماية منافذ الاتصالات من التلف الناتج عن التفريغ الكهروستاتيكي. الشكل 3 يعرض مكونات الحماية الموصى بها للخطوط الموجودة على واجهات USB بسعة توصيل طاقة تصل إلى 100 واط ونطاق توصيل طاقة ممتد يصل إلى 240 وات. المكونات الموصى بها عابرة الجهد االكهربى الثنائيات القامع (TVS). الجدول 2 يصف تقنيات المكونات وميزاتها وفوائدها.
الشكل 3: مخططات كتلة واجهة USB توضح المكونات الموصى بها (انظر الجدول 2) للحماية من ESD. انقر للحصول على صورة أكبر. (Littelfuse، Inc.)
الجدول 2: تقنيات حماية USB الموصى بها (المصدر: Littelfuse، Inc.)
بالنسبة لخطوط USB 2.0 ، ضع في اعتبارك استخدام الصمام الثنائي TVS أحادي الاتجاه SP3530 أو ما يعادله. يمكن أن يمتص الصمام الثنائي TVS بأمان ، بدون تدهور ، ضربة من التفريغ الكهروستاتيكي بقدرة 22 كيلو فولت ، أي ما يقرب من 3 أضعاف مستوى 8 كيلو فولت الذي تتطلبه المواصفة القياسية IEC 61000-4-2. عادةً ما تقلل السعة المنخفضة البالغة 0.3 pF من التداخل مع انتقالات الإشارة. يتوفر هذا المكون في حزمة 0201 مثبتة على السطح مصممة لتوفير مساحة لوحة الكمبيوتر الشخصي.
تتطلب خطوط SuperSpeed مكونًا بأقل سعة ممكنة حتى لا تتسبب في تدهور عمليات إرسال البيانات عالية السرعة. على سبيل المثال ، توفر صمامات TVS ثنائية الاتجاه SP3213 ، وهما صمامان متصلان من الأنود إلى الأنود ، حدًا أدنى من الحماية لضربات التفريغ الكهروستاتيكي التي تصل إلى 12 كيلو فولت. ترسم هذه الثنائيات عادةً 20 nA من تيار التسرب لتقليل استهلاك طاقة الدائرة وهي موجودة في حزمة µDFN-2 المدمجة على السطح.
لاستخدام النطاق الجانبي (SBU) وخطوط التكوين (CC) ، ضع في اعتبارك الصمام الثنائي TVS أحادي الاتجاه SP1006. يمكن لهذا المكون أن يمتص بأمان ضربة من التفريغ الكهروستاتيكي بقدرة 30 كيلو فولت في حزمة µDFN-2. SP1006 عبارة عن صمام ثنائي TVS متين للغاية وهو مؤهل وفقًا لمعيار AEC-Q101 للاستخدام في تطبيقات السيارات لاتصالات USB.4
الخامسحافلة تتطلب الخطوط صمامات ثنائية TVS يمكنها تحمل مستوى طاقة أعلى من أجهزة حماية خط الإشارة. سلسلة SPHV المكونة من صمامات ثنائية TVS بقوة 200 واط تحمي خط Vbus بقدرة 100 واط. يقاوم الصمام الثنائي SPHV 30 كيلوفولت من ضربات التفريغ الكهروستاتيكي وهو مؤهل لـ AEC-Q101 في حزمة مثبتة على السطح. بالنسبة للواجهة Extended Power Range ، أحد الأمثلة على ذلك هو الصمام الثنائي SMBJ. تتمتع بتصنيف طاقة ذروة أعلى ، 600 واط ، من ثنائيات SPHV ويمكن أن تمتص ضربات التفريغ الكهروستاتيكي التي تصل إلى 30 كيلو فولت. مثل ثنائيات TVS الأخرى الموصى بها لمنافذ USB ، فإن الثنائيات SMBJ هي مكونات مثبتة على السطح.
يخدم كل من صمامات TVS الثنائية المختلفة وظيفة ضرورية لحماية مجموعة محددة من الخطوط من التفريغ الكهروستاتيكي ولا تتداخل مع وظائف الخط. إن دمج هذه الثنائيات في الدائرة سيمنع الفشل الفوري والفشل الناعم والفشل الخفي المبكر.
منتجات ينصح بها
المشكلة الكبيرة في الشحن السريع باستخدام كبلات USB Type-C
حماية مقابس ومآخذ USB من النوع C من السخونة الزائدة
تتيح الكثافة العالية لموصل USB من النوع C مزيدًا من الفرص للتلوث من الأوساخ والغبار لإحداث أخطاء مقاومة بين الطاقة والأرض. مدمجًا مع قوة أعلى في Vحافلة يكون موصل USB أكثر عرضة للسخونة الزائدة ، مما قد يؤدي إلى تلف الموصل والكابل وإلكترونيات المنفذ المرفقة. يمكن أن يؤدي ارتفاع درجة الحرارة إلى إذابة الموصل أو ، في أسوأ الحالات ، نشوب حريق.
الحل لمنع ارتفاع درجة الحرارة هو مؤشر درجة الحرارة الرقمي المصمم ليكون متوافقًا مع مواصفات كابل USB من النوع C والموصل. يزيد مؤشر درجة الحرارة من مقاومته بما لا يقل عن خمسة (5) عقود عندما يكتشف درجة حرارة تبلغ 100 درجة مئوية أو أكثر. مكون المثال التكنلوجيا المشار إليه في هذه المقالة هو مؤشر درجة الحرارة الرقمي setP الفريد من Littelfuse. يظهر منحنىها المميز في الشكل 4.
الشكل 4: منحنى المقاومة مقابل درجة الحرارة لمؤشر درجة الحرارة باستخدام Littelfuse setP كمثال. انقر للحصول على صورة أكبر. (المصدر: Littelfuse، Inc.)
كما هو مبين في الشكل 3، يتم وضع مؤشر درجة الحرارة في خط قناة التكوين. لا يتم وضعها في V.حافلة بحيث لا يسقط أي جهد أو قوة ولا يقلل من قدرة توصيل الطاقة على V.حافلة خط. إذا اكتشف المكون درجة حرارة تصل إلى 100 درجة مئوية ، تزداد مقاومته بشكل كبير. يفسر بروتوكول USB المقاومة العالية على أنها اتصال مفتوح بين اتصال المصدر ، V.حافلة، ووصلة الحوض ، والحمل ، و V.حافلة تم إلغاء تنشيط الخط.
عندما يتم تصحيح الحالة المسببة لارتفاع درجة الحرارة ودرجة حرارة مدخل بطاقة الذاكرة : نعم تنخفض إلى ما دون عتبة 100 درجة مئوية ، وتعيد مقاومتها إلى قيمة درجة الحرارة المنخفضة التي تبلغ حوالي 10 Ω و V.حافلة يعاد تنشيطه. للحصول على أفضل النتائج ، يجب أن يتم تضمين مؤشر درجة الحرارة في قابس USB و / أو وعاء بحيث يمكنه مراقبة درجة حرارة الموصل عند مصدر الخطأ.
على عكس جهاز معامل درجة الحرارة الموجب أو قاطع الدائرة المصغرة الذي يجب أن يكون في V.حافلة الخط ، مؤشر درجة الحرارة الرقمي لا يستهلك الطاقة ويقلل من قدرة توصيل الطاقة. علاوة على ذلك ، تقتصر هذه المكونات الأخرى على 100 واط وبطاقة أقل مما يمنع استخدامها في نطاق الطاقة الممتد عبر تطبيق USB Type-C.
يجب أن يكون مستشعر درجة الحرارة صغير الحجم بحيث يمكن الكشف عن مصدر الأعطال. كما يجب أن يكون قادرًا على تغيير حالته المقاومة بسرعة ثانية واحدة (1) لمنع تلف الكبل والمكونات الإلكترونية. الشكل 5 يوضح كيف يحافظ مؤشر درجة الحرارة على درجة حرارة سطح الموصل الآمنة أثناء خطأ درجة الحرارة الزائدة.
مقارنة بين الارتفاع المنخفض في درجة حرارة سطح الموصل عند استخدام مؤشر درجة الحرارة (A Littelfuse setP) للحماية من الحرارة الزائدة. انقر للحصول على صورة أكبر (المصدر: Littelfuse، Inc.)
نبذة عامة
بدون الحماية المناسبة ، يمكن أن تتسبب ESD أو الحطام في موصلات USB من النوع C في حدوث أعطال ميدانية في الإلكترونيات الاستهلاكية القيمة التي يعتمد عليها المستخدمون يوميًا. يمكن لمهندسي الإلكترونيات حماية أحدث تصميماتهم باستخدام صمامات TVS الثنائية لحماية خطوط USB من ESD ومؤشرات درجة الحرارة الرقمية لحماية الموصلات من السخونة الزائدة. نظرًا لأن الأجهزة المحمولة أصبحت أصغر حجمًا وأكثر تعقيدًا واستمر الطلب على الشحن الأسرع في الازدياد ، يواجه المصممون تحديًا إضافيًا يتمثل في العثور على مكونات حماية أصغر حجمًا على السطح لاستيعاب المساحة المحدودة وتقليل مساحة PCB المطلوبة لتوفير الحماية اللازمة أساليب.
تساعد اعتبارات التصميم الهامة هذه في منع حدوث مشكلات للمستخدمين النهائيين. كما أنه يساهم في أداء منتج أكثر قوة ، وإطالة عمر المنتج ، وزيادة رضا المستهلك.
المراجع:
1موقع منتدى USB-Implementers: الصفحة الأولى | USB-IF.
2الناقل التسلسلي العالمي من النوع C مواصفات الكابلات والموصل. المراجعة 2.1. مايو 2021. منتدى منفذي USB (USB-IF)، Inc. مراجعة مواصفات كابل وموصل USB من النوع C 2.1 | USB-IF.
3IEC 61000-4-2 التوافق الكهرومغناطيسي (EMC) - الجزء 4-2: تقنيات الاختبار والقياس XNUMX اختبار مناعة التفريغ الكهروستاتيكي. اللجنة الكهرتقنية الدولية. الطبعة 2.0 ديسمبر 2008.
4موقع مجلس إلكترونيات السيارات: AECMain (aecouncil.com).
مؤشرات درجة الحرارة الرقمية لدليل تصميم وتثبيت كبلات USB Type-C، Littelfuse ، Inc. ، أبريل 2019 ، محدث في سبتمبر 2021
عن المؤلف
حول Littelfuse