Konsumen saat ini dengan cepat menjadi tergantung pada perangkat seluler yang menggabungkan standar antarmuka komunikasi USB-C, atau USB-Tipe C—dari ponsel cerdas dan tablet hingga perangkat yang dapat dikenakan dan laptop. Port USB juga berfungsi ganda sebagai port pengisian cepat untuk sebagian besar perangkat ini juga. Akibatnya, merancang perlindungan yang kuat terhadap pelepasan muatan listrik statis (ESD) dan kondisi panas berlebih tidak pernah menjadi lebih penting.
USB-Implementers Forum (USB-IF) telah meningkatkan standar melalui empat revisi besar.1 Ini pertama kali distandarisasi pada tahun 1996 dan telah berkembang dengan kecepatan yang lebih tinggi dan memungkinkan lebih banyak daya dukung. Standar USB dimulai dengan versi 1.0 dan telah berkembang melalui versi 2.0, versi 3.x, dan saat ini hingga revisi 4, USB4. Tabel 1 daftar versi dari 2.0 ke USB4 dan menunjukkan bagaimana throughput maksimum setiap versi telah meningkat secara substansial.
Tabel 1. Evolusi standar USB yang menunjukkan peningkatan kecepatan transmisi data. (Sumber: Littelfuse, Inc.)
Untuk menangani kecepatan transmisi data yang lebih tinggi dan pengiriman daya yang lebih tinggi, standar konektor dan kabel USB Type-C telah diperbarui ke revisi 2.12 dan standar USB-PD (pengiriman daya) telah diperbarui ke revisi 3.1. Gambar 1 menunjukkan konektor Tipe-C yang dapat mengimplementasikan rangkaian fitur USB yang disempurnakan. Revisi PD memungkinkan perangkat untuk diisi dan diberi daya melalui antarmuka USB. Kapasitas daya maksimum telah meningkat dari 2.5 W (5 V @0.5A) hingga 100 W (20 V @ 5A) hingga, saat ini, rentang daya yang diperluas 240 W (48 V @ 5A). Kapasitas daya yang lebih tinggi akan membuka aplikasi pengisian daya dan pengisian daya baru untuk USB-C seperti notebook gaming, stasiun dok, monitor 4K, dan komputer all-in-one.
Gambar 1: Konektor USB Tipe-A dan Tipe-C. Konektor Tipe-C memiliki 24 pin dibandingkan dengan 4-pin konektor Tipe-A. Pitch kontak sinyal untuk konektor Tipe-C adalah 0.5 mm. Klik untuk gambar yang lebih besar. (Sumber: Littelfuse, Inc.)
Tantangan terhadap keandalan produk
Meskipun standar yang berkembang telah meningkatkan kecepatan transmisi data dan meningkatkan daya pengisian daya, standar tersebut tidak secara langsung menentukan metode khusus untuk melindungi antarmuka USB dari bahaya eksternal. Artikel ini akan membahas metode untuk menghilangkan kemungkinan kegagalan dari ESD dan kondisi overheating. Teknik-teknik ini penting untuk memastikan produk yang lebih andal dan kuat.
Melindungi port USB dari ESD
Elektronik sirkuit seperti port USB yang terpapar ke lingkungan eksternal melalui kabel dan konektor merupakan target potensial ESD. Serangan ESD dapat terjadi melalui kontak langsung dari seseorang atau melalui udara jika sumber energinya berasal dari alat elektronik sirkit. Serangan ESD dapat mencapai 30 kV atau lebih dengan waktu naik yang cepat dan dapat melelehkan jejak silikon dan konduktor dengan arus hingga 30 A. ESD, dengan energi sebesar ini, dapat menyebabkan kegagalan total komponen.
Selain itu, serangan ESD dapat menyebabkan kerusakan yang lebih halus. Arus karena ESD dapat menyebabkan kegagalan lunak termasuk perubahan status pada perangkat logika, latch-up, atau perilaku yang tidak dapat diprediksi. Hal ini dapat menyebabkan korupsi aliran data. Data perlu dikirim ulang yang memperlambat laju transmisi data. Dalam kasus kegagalan latch-up, sistem akan membutuhkan reboot. ESD juga dapat menyebabkan cacat laten di mana suatu komponen masih berfungsi tetapi mengalami degradasi dan dapat gagal sebelum waktunya.
Produk harus kuat terhadap ESD untuk keandalan yang tinggi. Mereka juga harus mematuhi standar internasional seperti IEC 61000-4-23 untuk memungkinkan penjualan di semua wilayah di dunia. Gambar 2 menunjukkan bentuk gelombang uji simulasi ESD yang ditentukan oleh IEC 61000-4-2 dimana produk harus mampu bertahan untuk sertifikasi CE.
Gambar 2: Bentuk gelombang uji ESD sebagaimana ditentukan dalam IEC 61000-4-2. (Sumber: Littelfuse, Inc.)
Ada berbagai macam produk yang tersedia untuk melindungi port komunikasi dari kerusakan ESD. Gambar 3 menunjukkan komponen perlindungan yang direkomendasikan untuk saluran pada antarmuka USB dengan kapasitas pengiriman daya hingga 100 W dan jangkauan pengiriman daya yang diperluas hingga 240 W. Komponen yang direkomendasikan bersifat sementara tegangan dioda penekan (TVS). Tabel 2 menjelaskan teknologi komponen dan fitur serta manfaatnya masing-masing.
Gambar 3: Diagram blok antarmuka USB yang menunjukkan komponen yang direkomendasikan (Lihat Tabel 2) untuk perlindungan dari ESD. Klik untuk gambar yang lebih besar. (Littelfuse, Inc.)
Tabel 2: Teknologi perlindungan USB yang direkomendasikan (Sumber: Littelfuse, Inc.)
Untuk saluran USB 2.0, pertimbangkan untuk menggunakan dioda TVS searah SP3530 atau yang setara. Dioda TVS ini dapat dengan aman menyerap, tanpa degradasi, pemogokan ESD 22-kV, hampir 3 kali tingkat 8-kV yang dipersyaratkan oleh IEC 61000-4-2. Biasanya, kapasitansi rendah 0.3 pF meminimalkan gangguan dengan transisi sinyal. Komponen ini tersedia dalam paket pemasangan permukaan 0201 yang dirancang untuk menghemat ruang papan PC.
Jalur SuperSpeed memerlukan komponen dengan kapasitansi serendah mungkin agar tidak menurunkan transmisi data berkecepatan tinggi. Misalnya, dioda TVS dua arah SP3213, dua dioda yang terhubung anoda-ke-anoda memberikan perlindungan minimum untuk pemogokan ESD hingga 12 kV. Dioda ini biasanya menarik 20 nA arus bocor untuk meminimalkan konsumsi daya sirkuit dan berada dalam paket pemasangan permukaan DFN-2 yang ringkas.
Untuk penggunaan sideband (SBU) dan saluran konfigurasi (CC), pertimbangkan dioda TVS searah SP1006. Komponen ini dapat dengan aman menyerap serangan ESD 30-kV dalam paket DFN-2. SP1006 adalah dioda TVS yang sangat kokoh dan memenuhi syarat AEC-Q101 untuk digunakan dalam aplikasi komunikasi USB otomotif.4
The Vbis saluran membutuhkan dioda TVS yang dapat menahan tingkat daya yang lebih tinggi daripada perangkat perlindungan saluran sinyal. Seri SPHV dioda TVS 200 W melindungi saluran Vbus dengan kapasitas 100 W. Dioda SPHV menahan 30 kV dari serangan ESD dan memenuhi syarat AEC-Q101 dalam paket pemasangan di permukaan. Untuk antarmuka Extended Power Range, solusi contoh adalah dioda SMBJ. Ini memiliki peringkat daya puncak yang lebih tinggi, 600 W, daripada dioda SPHV dan dapat menyerap serangan ESD setinggi 30 kV. Seperti dioda TVS lainnya yang direkomendasikan untuk port USB, dioda SMBJ adalah komponen pemasangan permukaan.
Masing-masing dioda TVS yang berbeda memiliki fungsi yang diperlukan untuk melindungi rangkaian saluran tertentu dari ESD dan tidak mengganggu fungsi saluran. Memasukkan dioda ini ke dalam rangkaian akan mencegah kegagalan langsung, kegagalan lunak, dan kegagalan laten dini.
Direkomendasikan
Masalah besar dengan pengisian cepat menggunakan kabel USB Type-C
Melindungi colokan dan stopkontak USB Type-C dari panas berlebih
Kepadatan tinggi konektor USB Type-C memungkinkan lebih banyak peluang kontaminasi dari kotoran dan debu yang menyebabkan gangguan resistif antara daya dan arde. Dikombinasikan dengan daya yang lebih tinggi pada Vbis saluran, konektor USB memiliki risiko panas berlebih yang lebih besar, yang dapat merusak konektor, kabel, dan elektronik port yang terpasang. Kenaikan suhu dapat melelehkan konektor atau, dalam kasus terburuk, menyalakan api.
Solusi untuk mencegah panas berlebih adalah indikator suhu digital yang dirancang agar sesuai dengan spesifikasi kabel dan konektor USB Type-C. Indikator suhu meningkatkan ketahanannya setidaknya lima (5) dekade ketika mendeteksi suhu 100° C atau lebih. Komponen contoh teknologi yang dirujuk dalam artikel ini adalah indikator suhu digital setP unik dari Littelfuse. Kurva karakteristiknya ditunjukkan pada Gambar 4.
Gambar 4: Kurva Resistansi vs Suhu untuk indikator suhu menggunakan setP Littelfuse sebagai contoh. Klik untuk gambar yang lebih besar. (Sumber: Littelfuse, Inc.)
Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3, indikator suhu ditempatkan di jalur saluran konfigurasi. Itu tidak ditempatkan di Vbis saluran sehingga tidak menjatuhkan tegangan atau daya dan tidak mengurangi kapasitas pengiriman daya pada Vbis garis. Jika komponen mendeteksi suhu mencapai 100 ° C, resistansinya meningkat secara substansial. Protokol USB mengartikan resistansi tinggi sebagai koneksi terbuka antara koneksi sumber, Vbis, dan sambungan wastafel, beban, dan Vbis garis dinonaktifkan.
Ketika kondisi yang menyebabkan panas berlebih telah diperbaiki dan suhu Sensor jatuh di bawah ambang batas 100 ° C, resistansi diatur ulang ke nilai suhu rendah sekitar 10 dan Vbis diberi energi kembali. Untuk hasil terbaik, indikator suhu harus dipasang ke dalam colokan dan/atau stopkontak USB sehingga dapat memantau suhu konektor pada sumber kesalahan.
Tidak seperti perangkat koefisien suhu positif atau pemutus sirkuit mini yang harus di Vbis line, indikator suhu digital tidak mengkonsumsi daya dan mengurangi kapasitas pengiriman daya. Selain itu, komponen lain ini dibatasi hingga 100 W dan daya yang lebih rendah yang akan mencegah penggunaannya dalam aplikasi USB Type-C dengan rentang daya yang diperluas.
Sensor suhu harus berukuran kecil sehingga memungkinkan deteksi pada sumber kesalahan. Itu juga harus dapat mengubah status resistifnya secepat satu (1) detik untuk mencegah kerusakan pada kabel dan komponen elektronik. Gambar 5 menunjukkan bagaimana indikator suhu mempertahankan suhu permukaan konektor yang aman selama kesalahan suhu berlebih.
Perbandingan kenaikan suhu permukaan konektor yang lebih rendah ketika indikator suhu (A Littelfuse setP) digunakan untuk perlindungan suhu berlebih. Klik untuk gambar yang lebih besar. (Sumber: Littelfuse, Inc.)
Kesimpulan
Tanpa perlindungan yang tepat, ESD atau kotoran di konektor USB Type-C dapat menyebabkan kegagalan medan pada elektronik konsumen yang berharga yang menjadi sandaran pengguna setiap hari. Insinyur elektronik dapat melindungi desain terbaru mereka dengan menggunakan dioda TVS untuk melindungi saluran USB dari ESD dan indikator suhu digital untuk melindungi konektor dari panas berlebih. Karena perangkat seluler menjadi lebih kecil dan lebih kompleks dan permintaan untuk pengisian daya yang lebih cepat terus meningkat, perancang menghadapi tantangan tambahan untuk menemukan komponen perlindungan pemasangan di permukaan yang lebih kecil untuk mengakomodasi ruang terbatas dan meminimalkan real estat PCB yang diperlukan untuk menerapkan perlindungan yang diperlukan. metode.
Pemikiran sebelumnya tentang pertimbangan desain penting ini membantu mencegah masalah bagi pengguna akhir. Ini juga berkontribusi pada kinerja produk yang lebih kuat, masa pakai produk yang lebih lama, dan kepuasan konsumen yang lebih besar.
Referensi:
1Situs web Forum Pelaksana USB: Halaman Depan | USB-JIKA.
2Bus Serial Universal Tipe-C Spesifikasi Kabel dan Konektor. Revisi 2.1. Mei 2021. USB Implementers Forum (USB-IF), Inc. Spesifikasi Kabel dan Konektor USB Type-C Revisi 2.1 | USB-JIKA.
3IEC 61000-4-2Kompatibilitas Elektromagnetik (EMC) – Bagian 4-2: Teknik Pengujian dan Pengukuran I Uji Kekebalan Muatan Elektrostatis. Komisi Electronik Internasional. Edisi 2.0 Desember 2008.
4Situs web Dewan Elektronik Otomotif: AECMain (aecouncil.com).
Indikator Suhu Digital untuk Desain & Panduan Pemasangan Kabel USB Type-C, Littelfuse, Inc., April 2019, diperbarui September 2021
Tentang Penulis
tentang Littlefuse