Die Verbraucher von heute sind schnell von Mobilgeräten abhängig geworden, die den Kommunikationsschnittstellenstandard USB-C oder USB-Typ C enthalten – von Smartphones und Tablets bis hin zu Wearables und Laptops. Der USB-Anschluss dient bei den meisten dieser Geräte auch als Schnellladeanschluss. Aus diesem Grund war die Entwicklung eines robusten Schutzes gegen elektrostatische Entladung (ESD) und Überhitzung so wichtig wie nie zuvor.
Das USB-Implementers Forum (USB-IF) hat den Standard durch vier große Überarbeitungen aktualisiert.1 Es wurde erstmals 1996 standardisiert und hat sich mit höheren Geschwindigkeiten weiterentwickelt und bietet mehr Kraftbelastbarkeit. Der USB-Standard begann mit Version 1.0 und hat sich bis zu Version 2.0, 3.x-Versionen weiterentwickelt und ist derzeit bis zur Revision 4, USB4. Tabelle 1 listet die Versionen von 2.0 bis USB4 auf und zeigt, wie sich der maximale Durchsatz jeder Version deutlich erhöht hat.
Tabelle 1. Entwicklung der USB-Standards mit steigenden Datenübertragungsraten. (Quelle: Littelfuse, Inc.)
Um höhere Datenübertragungsraten und eine höhere Leistungsabgabe zu bewältigen, wurde der USB-Typ-C-Kabel- und -Anschlussstandard auf die Version 2.1 aktualisiert2 und der USB-PD-Standard (Power Delivery) wurde auf Revision 3.1 aktualisiert. Figure 1 zeigt den Typ-C-Anschluss, der die erweiterten USB-Feature-Sets implementieren kann. Die PD-Revisionen ermöglichen das Laden und die Stromversorgung von Geräten über die USB-Schnittstelle. Die maximale Leistungskapazität wurde von 2.5 W (5 V @ 0.5 A) über 100 W (20 V @ 5 A) auf derzeit einen erweiterten Leistungsbereich von 240 W (48 V @ 5 A) erhöht. Die höhere Leistungskapazität eröffnet neue Stromversorgungs- und Ladeanwendungen für USB-C wie Gaming-Notebooks, Dockingstationen, 4K-Monitore und All-in-One-Computer.
Abbildung 1: USB Typ-A- und Typ-C-Anschlüsse. Der Typ-C-Stecker hat 24 Pins im Vergleich zu den 4-Pin des Typ-A-Steckers. Der Signalkontaktabstand für den Typ-C-Stecker beträgt 0.5 mm. Klicken Sie für ein größeres Bild. (Quelle: Littelfuse, Inc.)
Herausforderungen an die Produktzuverlässigkeit
Während die sich entwickelnden Standards verbesserte Datenübertragungsraten und eine erhöhte Ladeleistung aufweisen, schreiben die Standards nicht direkt spezifische Methoden zum Schutz der USB-Schnittstelle vor externen Gefahren vor. In diesem Artikel werden Methoden beschrieben, mit denen die Möglichkeit eines Ausfalls durch ESD und Überhitzung ausgeschlossen werden kann. Diese Techniken sind unerlässlich, um ein zuverlässigeres und robusteres Produkt zu gewährleisten.
Schutz von USB-Ports vor ESD
elektronisch Schaltkreise wie USB-Anschlüsse, die über Kabel und Anschlüsse der äußeren Umgebung ausgesetzt sind, sind potenzielle Ziele für ESD. ESD-Störungen können durch direkten Kontakt mit einer Person oder durch die Luft auftreten, wenn eine Energiequelle einen Lichtbogen auf eine Elektronik schlägt Schaltung. ESD-Einschläge können mit schnellen Anstiegszeiten bis zu 30 kV oder mehr betragen und können Silizium und Leiterbahnen mit Strömen bis zu 30 A schmelzen. ESD kann bei so viel Energie zum Totalausfall von Komponenten führen.
Darüber hinaus können ESD-Einschläge subtilere Schäden verursachen. Strom aufgrund von ESD kann weiche Fehler verursachen, einschließlich einer Zustandsänderung in einem Logikgerät, Latch-up oder unvorhersehbarem Verhalten. Dies kann zu einer Beschädigung eines Datenstroms führen. Daten müssen erneut gesendet werden, was die Datenübertragungsrate verlangsamt. Im Falle eines Latch-up-Fehlers muss das System neu gestartet werden. ESD kann auch einen latenten Defekt verursachen, bei dem eine Komponente noch funktioniert, aber abgebaut wird und vorzeitig ausfallen kann.
Produkte müssen für eine hohe Zuverlässigkeit robust gegenüber ESD sein. Außerdem müssen sie internationalen Standards wie IEC 61000-4-2 entsprechen3 um den Vertrieb in allen Regionen der Welt zu ermöglichen. Figure 2 zeigt eine ESD-simulierte Testwellenform nach IEC 61000-4-2, der ein Produkt für die CE-Zertifizierung standhalten muss.
Abbildung 2: ESD-Testwellenform gemäß IEC 61000-4-2. (Quelle: Littelfuse, Inc.)
Es steht eine breite Palette von Produkten zum Schutz von Kommunikationsanschlüssen vor ESD-Schäden zur Verfügung. Figure 3 zeigt empfohlene Schutzkomponenten für Leitungen an USB-Schnittstellen mit bis zu 100 W Leistungsabgabeleistung und erweitertem Leistungsabgabebereich bis 240 W. Die empfohlenen Komponenten sind transient Spannung Suppressor-Dioden (TVS). Tabelle 2 beschreibt die Komponententechnologien und ihre jeweiligen Eigenschaften und Vorteile.
Abbildung 3: Blockschaltbilder der USB-Schnittstelle mit empfohlenen Komponenten (siehe Tabelle 2) zum Schutz vor ESD. Klicken Sie für ein größeres Bild. (Littelfuse, Inc.)
Tabelle 2: Empfohlene USB-Schutztechnologien (Quelle: Littelfuse, Inc.)
Ziehen Sie für die USB 2.0-Leitungen die Verwendung einer unidirektionalen TVS-Diode SP3530 oder eines gleichwertigen in Betracht. Diese TVS-Diode kann einen 22-kV-ESD-Einschlag sicher und ohne Beeinträchtigung absorbieren, fast das Dreifache des von IEC 3-8-61000 geforderten 4-kV-Pegels. Typischerweise minimiert eine niedrige Kapazität von 2 pF Störungen bei Signalübergängen. Diese Komponente ist in einem oberflächenmontierten 0.3-Gehäuse erhältlich, das Platz auf der Leiterplatte spart.
Die SuperSpeed-Leitungen erfordern eine Komponente mit der geringstmöglichen Kapazität, um die Hochgeschwindigkeits-Datenübertragungen nicht zu beeinträchtigen. Zum Beispiel bieten die bidirektionalen TVS-Dioden SP3213, zwei Dioden, die Anode an Anode geschaltet sind, einen minimalen Schutz bei ESD-Einschlägen bis zu 12 kV. Diese Dioden ziehen typischerweise 20 nA Leckstrom, um den Stromverbrauch der Schaltung zu minimieren, und befinden sich in einem kompakten µDFN-2-SMD-Gehäuse.
Berücksichtigen Sie die unidirektionale TVS-Diode SP1006 für die Leitungen für die Seitenbandnutzung (SBU) und den Konfigurationskanal (CC). Dieses Bauteil kann einen 30-kV-ESD-Einschlag in einem µDFN-2-Gehäuse sicher absorbieren. Die SP1006 ist eine sehr robuste TVS-Diode und AEC-Q101-qualifiziert für den Einsatz in Automobilanwendungen der USB-Kommunikation.4
Die VBus Leitungen erfordern TVS-Dioden, die einer höheren Leistung standhalten können als die Schutzvorrichtungen für Signalleitungen. Die Serie SPHV mit 200 W TVS-Dioden schützt eine Vbus-Leitung mit 100 W Kapazität. Die SPHV-Diode widersteht 30 kV ESD-Einschlägen und ist AEC-Q101-qualifiziert in einem oberflächenmontierten Gehäuse. Für die Extended Power Range-Schnittstelle ist eine Beispiellösung die SMBJ-Diode. Sie hat eine höhere Spitzenleistung von 600 W als die SPHV-Dioden und kann ESD-Einschläge von bis zu 30 kV absorbieren. Wie die anderen empfohlenen TVS-Dioden für USB-Ports sind die SMBJ-Dioden oberflächenmontierte Komponenten.
Jede der verschiedenen TVS-Dioden erfüllt eine Funktion, die erforderlich ist, um einen bestimmten Leitungssatz vor ESD zu schützen und die Funktionalität der Leitung nicht zu beeinträchtigen. Der Einbau dieser Dioden in die Schaltung verhindert sofortige Ausfälle, weiche Ausfälle und latente, vorzeitige Ausfälle.
Empfohlen
Das große Problem beim Schnellladen mit USB-Typ-C-Kabeln
Schutz von USB-Typ-C-Steckern und -Buchsen vor Überhitzung
Die hohe Dichte des USB-Typ-C-Anschlusses bietet mehr Möglichkeiten für Verunreinigungen durch Schmutz und Staub, die ohmsche Fehler zwischen Strom und Masse verursachen können. Kombiniert mit höherer Leistung am VBus Leitung besteht ein erhöhtes Überhitzungsrisiko des USB-Anschlusses, der den Anschluss, das Kabel und die angeschlossene Anschlusselektronik beschädigen kann. Der Temperaturanstieg kann einen Stecker schmelzen oder im schlimmsten Fall einen Brand auslösen.
Die Lösung zur Vermeidung von Überhitzung ist eine digitale Temperaturanzeige, die den Spezifikationen für USB-Typ-C-Kabel und -Stecker entspricht. Der Temperaturindikator erhöht seinen Widerstand um mindestens fünf (5) Dekaden, wenn er eine Temperatur von 100 °C oder mehr erkennt. Die Beispielkomponente Technologie In diesem Artikel wird auf die einzigartige digitale Temperaturanzeige setP von Littelfuse Bezug genommen. Seine charakteristische Kurve ist in dargestellt Figure 4.
Abbildung 4: Widerstands-Temperatur-Kurve für einen Temperaturindikator am Beispiel des Littelfuse setP. Klicken Sie für ein größeres Bild. (Quelle: Littelfuse, Inc.)
Wie in gezeigt Figure 3, wird die Temperaturanzeige in der Konfigurationskanalzeile platziert. Es ist nicht in der V . platziertBus Leitung so, dass keine Spannung oder Leistung abfällt und die Kapazität der Leistungsabgabe am VBus Leitung. Erkennt das Bauteil eine Temperatur von 100 °C, erhöht sich sein Widerstand erheblich. Das USB-Protokoll interpretiert den hohen Widerstand als offene Verbindung zwischen dem Source-Anschluss, VBus, und der Senkenanschluss, die Last und die VBus Leitung ist deaktiviert.
Wenn der Zustand, der die Überhitzung verursacht hat, behoben ist und die Temperatur des Sensor unter die 100°C-Schwelle fällt, wird sein Widerstand auf seinen Tieftemperaturwert von etwa 10 Ω und V . zurückgesetztBus wird wieder energetisiert. Um beste Ergebnisse zu erzielen, sollte der Temperaturanzeiger in einen USB-Stecker und/oder eine USB-Buchse eingebaut werden, damit er die Steckertemperatur an der Fehlerquelle überwachen kann.
Im Gegensatz zu einem Gerät mit positivem Temperaturkoeffizienten oder einem Mini-Leistungsschalter, der sich im V . befinden mussBus Linie verbraucht eine digitale Temperaturanzeige keinen Strom und reduziert die Leistungsabgabekapazität. Darüber hinaus sind diese anderen Komponenten auf 100 W und weniger Leistung begrenzt, was ihre Verwendung in der USB-Typ-C-Anwendung mit erweitertem Leistungsbereich verhindern würde.
Der Temperatursensor sollte klein dimensioniert sein, damit er eine Erkennung an der Fehlerquelle ermöglicht. Es sollte auch in der Lage sein, seinen Widerstandszustand in nur einer (1) Sekunde zu ändern, um eine Beschädigung des Kabels und der elektronischen Komponenten zu vermeiden. Figure 5 zeigt, wie ein Temperaturindikator während eines Übertemperaturfehlers eine sichere Steckeroberflächentemperatur aufrechterhält.
Vergleich des geringeren Anstiegs der Steckeroberflächentemperatur bei Verwendung eines Temperaturanzeigers (A Littelfuse setP) als Übertemperaturschutz. Klicken Sie für ein größeres Bild. (Quelle: Littelfuse, Inc.)
Zusammenfassung
Ohne den richtigen Schutz können ESD oder Schmutz in USB-Typ-C-Anschlüssen Feldausfälle in der wertvollen Unterhaltungselektronik verursachen, auf die sich Benutzer täglich verlassen. Elektronikingenieure können ihre neuesten Designs schützen, indem sie TVS-Dioden zum Schutz der USB-Leitungen vor ESD und digitale Temperaturanzeigen verwenden, um die Anschlüsse vor Überhitzung zu schützen. Da mobile Geräte immer kleiner und komplexer werden und die Nachfrage nach schnellerem Laden weiter steigt, stehen Entwickler vor der zusätzlichen Herausforderung, kleinere oberflächenmontierte Schutzkomponenten zu finden, um den begrenzten Platz unterzubringen und den Platz auf der Leiterplatte zu minimieren, der für den erforderlichen Schutz erforderlich ist Methoden.
Vorausschauende Überlegungen zu diesen wichtigen Designüberlegungen helfen, Probleme für die Endbenutzer zu vermeiden. Es trägt auch zu einer robusteren Produktleistung, einer längeren Produktlebensdauer und einer höheren Kundenzufriedenheit bei.
References:
1Website des USB-Implementers Forum: Startseite | USB-IF.
2Universal Serial Bus Typ-C Kabel- und Steckerspezifikation. Überarbeitung 2.1. Mai 2021. USB Implementers Forum (USB-IF), Inc. Spezifikation für USB-Typ-C-Kabel und -Steckverbinder, Revision 2.1 | USB-IF.
3IEC 61000-4-2Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) – Teil 4-2: Prüf- und Messtechniken I Prüfung der Immunität gegen elektrostatische Entladungen. Internationale Elektrotechnische Kommission. Ausgabe 2.0 Dezember 2008.
4Website des Automotive Electronics Council: AECMain (aecouncil.com).
Digitale Temperaturanzeigen für USB-Typ-C-Kabel Design- und Installationsanleitung, Littelfuse, Inc., April 2019, aktualisiert September 2021
Über den Autor
über Littelfuse