Les consommateurs d'aujourd'hui sont rapidement devenus dépendants des appareils mobiles qui intègrent la norme d'interface de communication USB-C ou USB-Type C, des smartphones et tablettes aux appareils portables et ordinateurs portables. Le port USB sert également de port de charge rapide pour la plupart de ces appareils. En conséquence, la conception d'une protection robuste contre les décharges électrostatiques (ESD) et les conditions de surchauffe n'a jamais été aussi importante.
L'USB-Implementers Forum (USB-IF) a mis à niveau la norme à travers quatre révisions majeures.1 Il a été normalisé pour la première fois en 1996 et a évolué avec des vitesses plus élevées et permettant une plus grande capacité de charge. La norme USB a commencé avec la version 1.0 et a progressé jusqu'à la version 2.0, les versions 3.x, et est actuellement jusqu'à la révision 4, USB4. Tableau 1 répertorie les versions de 2.0 à USB4 et montre comment le débit maximal de chaque version a considérablement augmenté.
Tableau 1. Évolution des normes USB montrant des augmentations des taux de transmission de données. (Source : Littelfuse, Inc.)
Pour gérer des taux de transmission de données plus élevés et une alimentation plus élevée, la norme de câble et de connecteur USB Type-C a été mise à jour vers la révision 2.12 et la norme USB-PD (alimentation électrique) a été mise à jour vers la révision 3.1. Figure 1 montre le connecteur de type C qui peut implémenter les ensembles de fonctionnalités USB améliorés. Les révisions PD permettent aux appareils d'être chargés et alimentés via l'interface USB. La capacité de puissance maximale est passée de 2.5 W (5 V à 0.5 A) à 100 W (20 V à 5 A) pour atteindre actuellement une plage de puissance étendue de 240 W (48 V à 5 A). La capacité de puissance plus élevée ouvrira de nouvelles applications d'alimentation et de charge pour USB-C telles que les ordinateurs portables de jeu, les stations d'accueil, les moniteurs 4K et les ordinateurs tout-en-un.
Figure 1 : connecteurs USB Type-A et Type-C. Le connecteur de type C a 24 broches par rapport aux 4 broches du connecteur de type A. Le pas de contact de signal pour le connecteur de type C est de 0.5 mm. Cliquer pour agrandir l'image. (Source : Littelfuse, Inc.)
Les défis de la fiabilité des produits
Bien que les normes en évolution aient amélioré les taux de transmission de données et augmenté la puissance de charge, les normes ne prescrivent pas directement de méthodes spécifiques pour protéger l'interface USB des dangers externes. Cet article abordera les méthodes permettant d'éliminer la possibilité de défaillance due aux décharges électrostatiques et aux conditions de surchauffe. Ces techniques sont essentielles pour garantir un produit plus fiable et plus robuste.
Protection des ports USB contre les décharges électrostatiques
Electronique les circuits tels que les ports USB qui sont exposés à l'environnement externe via des câbles et des connecteurs sont des cibles potentielles pour les décharges électrostatiques. Les impacts d'ESD peuvent se produire par contact direct avec une personne ou par l'air si une source d'énergie se forme sur un système électronique. circuit. Les décharges électrostatiques peuvent atteindre 30 kV ou plus avec des temps de montée rapides et peuvent faire fondre le silicium et les pistes conductrices avec des courants allant jusqu'à 30 A. Les décharges électrostatiques, avec autant d'énergie, peuvent provoquer une défaillance totale des composants.
De plus, les frappes ESD peuvent causer des dommages plus subtils. Le courant dû aux décharges électrostatiques peut provoquer des défaillances logicielles, notamment un changement d'état d'un dispositif logique, un verrouillage ou un comportement imprévisible. Cela peut entraîner une corruption d'un flux de données. Les données devront être renvoyées, ce qui ralentit le taux de transmission des données. En cas d'échec de verrouillage, le système aura besoin d'un redémarrage. L'ESD peut également provoquer un défaut latent dans lequel un composant fonctionne toujours mais est dégradé et peut tomber en panne prématurément.
Les produits doivent être robustes à l'ESD pour une fiabilité élevée. Ils doivent également être conformes aux normes internationales telles que IEC 61000-4-23 pour permettre les ventes dans toutes les régions du monde. Figure 2 montre une forme d'onde de test simulée par ESD spécifiée par la norme IEC 61000-4-2 qu'un produit doit être capable de supporter pour la certification CE.
Figure 2 : Forme d'onde de test ESD telle que spécifiée dans la norme IEC 61000-4-2. (Source : Littelfuse, Inc.)
Il existe une large gamme de produits disponibles pour protéger les ports de communication contre les dommages ESD. Figure 3 montre les composants de protection recommandés pour les lignes sur les interfaces USB avec une capacité d'alimentation jusqu'à 100 W et une plage d'alimentation étendue jusqu'à 240 W. Les composants recommandés sont transitoires Tension diodes de suppression (TVS). Tableau 2 décrit les technologies des composants et leurs caractéristiques et avantages respectifs.
Figure 3 : schémas fonctionnels de l'interface USB montrant les composants recommandés (voir le tableau 2) pour la protection contre les décharges électrostatiques. Cliquer pour agrandir l'image. (Littelfuse, Inc.)
Tableau 2 : Technologies de protection USB recommandées (Source : Littelfuse, Inc.)
Pour les lignes USB 2.0, pensez à utiliser une diode TVS unidirectionnelle SP3530 ou équivalent. Cette diode TVS peut absorber en toute sécurité, sans dégradation, un choc ESD de 22 kV, soit près de 3 fois le niveau de 8 kV requis par la norme IEC 61000-4-2. Typiquement, une faible capacité de 0.3 pF minimise les interférences avec les transitions de signal. Ce composant est disponible dans un boîtier à montage en surface 0201 conçu pour économiser de l'espace sur la carte de circuit imprimé.
Les lignes SuperSpeed nécessitent un composant avec la capacité la plus faible possible pour ne pas dégrader les transmissions de données à haute vitesse. Par exemple, les diodes TVS bidirectionnelles SP3213, deux diodes connectées anode à anode offrent un minimum de protection contre les chocs ESD jusqu'à 12 kV. Ces diodes consomment généralement 20 nA de courant de fuite pour minimiser la consommation électrique du circuit et se trouvent dans un boîtier compact µDFN-2 à montage en surface.
Pour les lignes d'utilisation de bande latérale (SBU) et de canal de configuration (CC), pensez à la diode TVS unidirectionnelle SP1006. Ce composant peut absorber en toute sécurité un impact ESD de 30 kV dans un boîtier µDFN-2. La SP1006 est une diode TVS très robuste et est qualifiée AEC-Q101 pour une utilisation dans les applications automobiles de communication USB.4
Le Vbus les lignes nécessitent des diodes TVS qui peuvent supporter un niveau de puissance plus élevé que les dispositifs de protection des lignes de signal. La série SPHV de diodes TVS 200 W protège une ligne Vbus d'une capacité de 100 W. La diode SPHV résiste à 30 kV contre les décharges électrostatiques et est qualifiée AEC-Q101 dans un boîtier à montage en surface. Pour l'interface Extended Power Range, un exemple de solution est la diode SMBJ. Il a une puissance nominale de crête plus élevée, 600 W, que les diodes SPHV et peut absorber des décharges électrostatiques jusqu'à 30 kV. Comme les autres diodes TVS recommandées pour les ports USB, les diodes SMBJ sont des composants à montage en surface.
Chacune des différentes diodes TVS remplit une fonction nécessaire pour protéger un ensemble spécifique de lignes contre les décharges électrostatiques et n'interfère pas avec la fonctionnalité de la ligne. L'incorporation de ces diodes dans le circuit empêchera les défaillances immédiates, les défaillances logicielles et les défaillances latentes et prématurées.
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La haute densité du connecteur USB Type-C permet plus de possibilités de contamination par la saleté et la poussière pour provoquer des défauts résistifs entre l'alimentation et la terre. Combiné avec une puissance plus élevée sur le Vbus ligne, le connecteur USB présente un plus grand risque de surchauffe, ce qui peut endommager le connecteur, le câble et l'électronique du port connecté. L'échauffement peut faire fondre un connecteur ou, dans le pire des cas, déclencher un incendie.
La solution pour éviter la surchauffe est un indicateur de température numérique conçu pour être conforme aux spécifications du câble et du connecteur USB Type-C. L'indicateur de température augmente sa résistance d'au moins cinq (5) décades lorsqu'il détecte une température de 100° C ou plus. Le composant exemple sans souci référencé dans cet article est l'indicateur de température numérique setP unique de Littelfuse. Sa courbe caractéristique est représentée par Figure 4.
Figure 4 : Courbe résistance vs température pour un indicateur de température utilisant le Littelfuse setP comme exemple. Cliquer pour agrandir l'image. (Source : Littelfuse, Inc.)
Comme représenté sur la Figure 3, l'indicateur de température est placé dans la ligne du canal de configuration. Il n'est pas placé dans le Vbus ligne de sorte qu'elle ne chute pas de tension ou de puissance et ne réduise pas la capacité de la fourniture d'énergie sur le Vbus ligne. Si le composant détecte la température atteignant 100°C, sa résistance augmente sensiblement. Le protocole USB interprète la haute résistance comme une connexion ouverte entre la connexion source, Vbus, et la connexion de l'évier, la charge et le Vbus la ligne est désactivée.
Lorsque la condition causant la surchauffe est corrigée et que la température du capteur passe en dessous du seuil de 100°C, sa résistance revient à sa valeur basse température d'environ 10 Ω et Vbus est redynamisé. Pour de meilleurs résultats, l'indicateur de température doit être intégré dans une prise et/ou une prise USB afin qu'il puisse surveiller la température du connecteur à la source du défaut.
Contrairement à un appareil à coefficient de température positif ou à un mini-disjoncteur qui doit être dans le Vbus ligne, un indicateur de température numérique ne consomme pas d'énergie et réduit la capacité de livraison d'énergie. De plus, ces autres composants sont limités à 100 W et à une puissance inférieure, ce qui empêcherait leur utilisation dans l'application USB Type-C à plage de puissance étendue.
Le capteur de température doit être de petite taille pour permettre une détection à la source des défauts. Il doit également être capable de changer son état résistif en une (1) seconde pour éviter d'endommager le câble et les composants électroniques. Figure 5 montre comment un indicateur de température maintient une température de surface de connecteur sûre lors d'un défaut de surchauffe.
Comparaison de la plus faible augmentation de la température de surface du connecteur lorsqu'un indicateur de température (A Littelfuse setP) est utilisé pour la protection contre la surchauffe. Cliquez pour agrandir l'image. (Source : Littelfuse, Inc.)
Résumé
Sans une protection appropriée, les décharges électrostatiques ou les débris dans les connecteurs USB Type-C peuvent provoquer des défaillances sur le terrain dans les précieux appareils électroniques grand public sur lesquels les utilisateurs comptent quotidiennement. Les ingénieurs en électronique peuvent protéger leurs dernières conceptions en utilisant des diodes TVS pour protéger les lignes USB des décharges électrostatiques et des indicateurs de température numériques pour protéger les connecteurs de la surchauffe. Alors que les appareils mobiles deviennent plus petits et plus complexes et que la demande pour une charge plus rapide continue d'augmenter, les concepteurs sont confrontés au défi supplémentaire de trouver des composants de protection à montage en surface plus petits pour s'adapter à l'espace limité et minimiser l'espace PCB requis pour mettre en place la protection nécessaire. méthodes.
La prévoyance de ces considérations de conception importantes permet d'éviter les problèmes pour les utilisateurs finaux. Il contribue également à des performances de produit plus robustes, à une durée de vie du produit plus longue et à une plus grande satisfaction des consommateurs.
Références:
1Site Web du forum des implémenteurs USB : Page d'accueil | USB-IF.
2Bus série universel de type C Spécification du câble et du connecteur. Révision 2.1. Mai 2021. USB Implementers Forum (USB-IF), Inc. Révision 2.1 des spécifications du câble et du connecteur USB Type-C | USB-IF.
3CEI 61000-4-2 Compatibilité électromagnétique (CEM) – Partie 4-2 : Techniques de test et de mesure I Test d'immunité aux décharges électrostatiques. Commission internationale en électrotechnique. Édition 2.0 décembre 2008.
4Site Web du Conseil de l'électronique automobile : AECMain (aecouncil.com).
Indicateurs de température numériques pour câbles USB Type-C Guide de conception et d'installation, Littelfuse, Inc., avril 2019, mis à jour en septembre 2021
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