Los consumidores de hoy en día se han vuelto rápidamente dependientes de los dispositivos móviles que incorporan el estándar de interfaz de comunicación USB-C o USB-Type C, desde teléfonos inteligentes y tabletas hasta dispositivos portátiles y portátiles. El puerto USB también funciona como puerto de carga rápida para la mayoría de estos dispositivos. Como resultado, diseñar una protección robusta contra descargas electrostáticas (ESD) y condiciones de sobrecalentamiento nunca ha sido más importante.
El USB-Implementers Forum (USB-IF) ha actualizado el estándar a través de cuatro revisiones importantes.1 Se estandarizó por primera vez en 1996 y ha ido evolucionando con velocidades más altas y permitiendo una mayor capacidad de carga de potencia. El estándar USB comenzó con la versión 1.0 y ha progresado hasta la versión 2.0, versiones 3.xy actualmente está hasta la revisión 4, USB4. Tabla 1 enumera las versiones de 2.0 a USB4 y muestra cómo el rendimiento máximo de cada versión ha aumentado sustancialmente.
Tabla 1. Evolución de los estándares USB que muestra aumentos en las velocidades de transmisión de datos. (Fuente: Littelfuse, Inc.)
Para manejar velocidades de transmisión de datos más altas y una mayor entrega de energía, el cable USB tipo C y el estándar de conector se han actualizado a la revisión 2.12 y el estándar USB-PD (suministro de energía) se ha actualizado a la revisión 3.1. Figura 1 y XNUMX muestra el conector tipo C que puede implementar los conjuntos de funciones USB mejoradas. Las revisiones de PD permiten que los dispositivos se carguen y alimenten a través de la interfaz USB. La capacidad de potencia máxima ha aumentado de 2.5 W (5 V a 0.5 A) a 100 W (20 V a 5 A) a, actualmente, un rango de potencia ampliado de 240 W (48 V a 5 A). La mayor capacidad de energía abrirá nuevas aplicaciones de carga y alimentación para USB-C, como computadoras portátiles para juegos, estaciones de acoplamiento, monitores 4K y computadoras todo en uno.
Figura 1: Conectores USB tipo A y tipo C. El conector Tipo-C tiene 24 pines en comparación con los 4 pines del conector Tipo-A. El paso de contacto de señal para el conector tipo C es de 0.5 mm. Haga clic para una imagen más grande. (Fuente: Littelfuse, Inc.)
Desafíos para la confiabilidad del producto
Si bien los estándares en evolución han mejorado las tasas de transmisión de datos y han aumentado la potencia de carga, los estándares no prescriben directamente métodos específicos para proteger la interfaz USB de peligros externos. Este artículo abordará los métodos para eliminar la posibilidad de fallas por ESD y condiciones de sobrecalentamiento. Estas técnicas son fundamentales para garantizar un producto más fiable y robusto.
Protección de puertos USB de ESD
Electronic Los circuitos como los puertos USB que están expuestos al entorno externo a través de cables y conectores son objetivos potenciales para ESD. Los impactos de ESD pueden ocurrir a través del contacto directo de una persona o a través del aire si una fuente de energía forma un arco con un dispositivo electrónico. circuito. Los impactos de ESD pueden ser de hasta 30 kV o más con tiempos de subida rápidos y pueden derretir silicio y trazas de conductores con corrientes de hasta 30 A. ESD, con tanta energía, puede causar fallas totales de los componentes.
Además, los golpes de ESD pueden causar daños más sutiles. La corriente debida a ESD puede causar fallas leves, incluido un cambio de estado en un dispositivo lógico, bloqueo o comportamiento impredecible. Esto puede provocar la corrupción de un flujo de datos. Los datos deberán volver a enviarse, lo que ralentiza la velocidad de transmisión de datos. En el caso de una falla en el cierre, el sistema necesitará reiniciarse. La ESD también puede causar un defecto latente en el que un componente aún funciona pero se degrada y puede fallar prematuramente.
Los productos deben ser resistentes a las descargas electrostáticas para lograr una alta confiabilidad. También deben cumplir con estándares internacionales como IEC 61000-4-23 para permitir ventas en todas las regiones del mundo. Figura 2 y XNUMX muestra una forma de onda de prueba simulada por ESD especificada por IEC 61000-4-2 que un producto debe ser capaz de soportar para la certificación CE.
Figura 2: Forma de onda de prueba de ESD como se especifica en IEC 61000-4-2 (Fuente: Littelfuse, Inc.)
Existe una amplia gama de productos disponibles para proteger los puertos de comunicación de daños por ESD. Figura 3 y XNUMX muestra los componentes de protección recomendados para líneas en interfaces USB con una capacidad de suministro de energía de hasta 100 W y un rango de suministro de energía extendido de hasta 240 W. Los componentes recomendados son transitorios voltaje diodos supresores (TVS). Tabla 2 describe las tecnologías de los componentes y sus respectivas características y beneficios.
Figura 3: Diagramas de bloques de la interfaz USB que muestran los componentes recomendados (consulte la Tabla 2) para protección contra ESD. Haga clic para una imagen más grande. (Littelfuse, Inc.)
Tabla 2: Tecnologías de protección USB recomendadas (Fuente: Littelfuse, Inc.)
Para las líneas USB 2.0, considere usar un diodo TVS unidireccional SP3530 o equivalente. Este diodo TVS puede absorber de forma segura, sin degradación, un impacto ESD de 22 kV, casi 3 veces el nivel de 8 kV requerido por IEC 61000-4-2. Normalmente, una baja capacitancia de 0.3 pF minimiza la interferencia con las transiciones de señal. Este componente está disponible en un paquete de montaje en superficie 0201 diseñado para ahorrar espacio en la placa de circuito impreso.
Las líneas SuperSpeed requieren un componente con la menor capacitancia posible para no degradar las transmisiones de datos de alta velocidad. Por ejemplo, los diodos TVS bidireccionales SP3213, dos diodos conectados ánodo a ánodo proporcionan un mínimo de protección para descargas ESD de hasta 12 kV. Estos diodos consumen típicamente 20 nA de corriente de fuga para minimizar el consumo de energía del circuito y están en un paquete compacto de montaje en superficie µDFN-2.
Para las líneas de uso de banda lateral (SBU) y canal de configuración (CC), considere el diodo TVS unidireccional SP1006. Este componente puede absorber de forma segura un impacto ESD de 30 kV en un paquete µDFN-2. El SP1006 es un diodo TVS muy resistente y está calificado AEC-Q101 para su uso en aplicaciones automotrices de comunicación USB.4
El Vautobús Las líneas requieren diodos TVS que puedan soportar un nivel de potencia más alto que los dispositivos de protección de línea de señal. La serie SPHV de diodos TVS de 200 W protege una línea Vbus con una capacidad de 100 W. El diodo SPHV soporta 30 kV de golpes ESD y está calificado AEC-Q101 en un paquete de montaje en superficie. Para la interfaz Extended Power Range, una solución de ejemplo es el diodo SMBJ. Tiene una potencia de pico más alta, 600 W, que los diodos SPHV y puede absorber descargas electrostáticas de hasta 30 kV. Al igual que los otros diodos TVS recomendados para puertos USB, los diodos SMBJ son componentes de montaje en superficie.
Cada uno de los diferentes diodos TVS cumple una función necesaria para proteger un conjunto específico de líneas de ESD y no interfiere con la funcionalidad de la línea. La incorporación de estos diodos en el circuito evitará fallas inmediatas, fallas leves y fallas latentes y prematuras.
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La alta densidad del conector USB tipo C permite más oportunidades de contaminación por suciedad y polvo para causar fallas resistivas entre la energía y la tierra. Combinado con mayor potencia en la Vautobús línea, el conector USB tiene un mayor riesgo de sobrecalentamiento, lo que puede dañar el conector, el cable y los componentes electrónicos del puerto adjunto. El aumento de temperatura puede derretir un conector o, en el peor de los casos, provocar un incendio.
La solución para evitar el sobrecalentamiento es un indicador de temperatura digital diseñado para cumplir con las especificaciones del conector y cable USB tipo C. El indicador de temperatura aumenta su resistencia en al menos cinco (5) décadas cuando detecta una temperatura de 100° C o mayor. El componente de ejemplo la tecnología En este artículo se hace referencia al exclusivo indicador de temperatura digital setP de Littelfuse. Su curva característica se muestra en Figura 4 y XNUMX.
Figura 4: Curva de resistencia frente a temperatura para un indicador de temperatura utilizando el setP de Littelfuse como ejemplo. Haga clic para una imagen más grande. (Fuente: Littelfuse, Inc.)
Como se muestra en Figura 3 y XNUMX, el indicador de temperatura se coloca en la línea del canal de configuración. No se coloca en la Vautobús línea para que no caiga ningún voltaje o potencia y no reduzca la capacidad de suministro de energía en el Vautobús línea. Si el componente detecta que la temperatura alcanza los 100 ° C, su resistencia aumenta sustancialmente. El protocolo USB interpreta la alta resistencia como una conexión abierta entre la conexión de la fuente, Vautobús, y la conexión del fregadero, la carga y la Vautobús la línea está desactivada.
Cuando se corrige la condición que causa el sobrecalentamiento y la temperatura del sensor cae por debajo del umbral de 100 ° C, su resistencia se restablece a su valor de baja temperatura de alrededor de 10 Ω y Vautobús se vuelve a energizar. Para obtener los mejores resultados, el indicador de temperatura debe estar integrado en un enchufe y / o receptáculo USB para que pueda monitorear la temperatura del conector en la fuente de la falla.
A diferencia de un dispositivo de coeficiente de temperatura positivo o un mini-disyuntor que debe estar en el Vautobús línea, un indicador de temperatura digital no consume energía y reduce la capacidad de suministro de energía. Además, estos otros componentes están limitados a 100 W y menor potencia, lo que evitaría su uso en la aplicación USB Type-C de rango de potencia extendido.
El sensor de temperatura debe ser de tamaño pequeño para que permita la detección en la fuente de fallas. También debería poder cambiar su estado resistivo en tan solo un (1) segundo para evitar daños en el cable y los componentes electrónicos. Figura 5 y XNUMX muestra cómo un indicador de temperatura mantiene una temperatura segura en la superficie del conector durante una falla por exceso de temperatura.
Comparación del menor aumento en la temperatura de la superficie del conector cuando se usa un indicador de temperatura (A Littelfuse setP) para protección contra sobrecalentamiento. Haga clic para ampliar la imagen (Fuente: Littelfuse, Inc.)
Resumen
Sin la protección adecuada, las descargas electrostáticas o los desechos en los conectores USB tipo C pueden causar fallas en el campo en los valiosos productos electrónicos de consumo de los que los usuarios dependen a diario. Los ingenieros electrónicos pueden proteger sus últimos diseños utilizando diodos TVS para proteger las líneas USB de ESD e indicadores digitales de temperatura para proteger los conectores del sobrecalentamiento. A medida que los dispositivos móviles se vuelven más pequeños y complejos y la demanda de una carga más rápida continúa aumentando, los diseñadores enfrentan el desafío adicional de encontrar componentes de protección de montaje en superficie más pequeños para acomodar el espacio limitado y minimizar el espacio de PCB requerido para instalar la protección necesaria. métodos.
La previsión de estas importantes consideraciones de diseño ayuda a evitar problemas para los usuarios finales. También contribuye a un rendimiento más sólido del producto, una vida útil más larga del producto y una mayor satisfacción del consumidor.
Referencias:
1Sitio web del Foro de Implementadores USB: Portada | USB-IF.
2Bus serie universal tipo C Especificación de cable y conector. Revisión 2.1. Mayo de 2021. USB Implementers Forum (USB-IF), Inc. Revisión 2.1 de la especificación del conector y cable USB tipo C | USB-IF.
3IEC 61000-4-2 Compatibilidad electromagnética (EMC) - Parte 4-2: Técnicas de prueba y medición I Prueba de inmunidad a descargas electrostáticas. Comisión Electrotécnica Internacional. Edición 2.0 de diciembre de 2008.
4Sitio web del Consejo de Electrónica Automotriz: AECMain (aecouncil.com).
Indicadores digitales de temperatura para cables USB tipo C Guía de diseño e instalación, Littelfuse, Inc., abril de 2019, actualizado en septiembre de 2021
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