I consumatori di oggi sono diventati rapidamente dipendenti dai dispositivi mobili che incorporano lo standard di interfaccia di comunicazione USB-C, o USB-Type C, da smartphone e tablet a dispositivi indossabili e laptop. La porta USB funge anche da porta di ricarica rapida per la maggior parte di questi dispositivi. Di conseguenza, la progettazione di una protezione robusta contro le scariche elettrostatiche (ESD) e le condizioni di surriscaldamento non è mai stata così importante.
L'USB-Implementers Forum (USB-IF) ha aggiornato lo standard attraverso quattro revisioni principali.1 È stato standardizzato per la prima volta nel 1996 e si è evoluto con velocità più elevate e consentendo una maggiore capacità di carico. Lo standard USB è iniziato con la versione 1.0 ed è progredito fino alla versione 2.0, versioni 3.x ed è attualmente fino alla revisione 4, USB4. Tabella 1 elenca le versioni dalla 2.0 alla USB4 e mostra come il throughput massimo di ciascuna versione sia notevolmente aumentato.
Tabella 1. Evoluzione degli standard USB che mostra aumenti nelle velocità di trasmissione dei dati. (Fonte: Littelfuse, Inc.)
Per gestire velocità di trasmissione dati più elevate e una maggiore erogazione di potenza, lo standard per cavi e connettori USB Type-C è stato aggiornato alla revisione 2.12 e lo standard USB-PD (power delivery) è stato aggiornato alla revisione 3.1. Figure 1 mostra il connettore di tipo C che può implementare i set di funzionalità USB avanzate. Le revisioni PD consentono di caricare e alimentare i dispositivi tramite l'interfaccia USB. La capacità di potenza massima è aumentata da 2.5 W (5 V @ 0.5 A) a 100 W (20 V @ 5 A) fino a, attualmente, un intervallo di potenza esteso di 240 W (48 V @ 5 A). La maggiore capacità di alimentazione aprirà nuove applicazioni di alimentazione e ricarica per USB-C come notebook da gioco, docking station, monitor 4K e computer all-in-one.
Figura 1: connettori USB di tipo A e di tipo C. Il connettore di tipo C ha 24 pin rispetto ai 4 pin del connettore di tipo A. Il passo dei contatti del segnale per il connettore di tipo C è di 0.5 mm. Clicca per ingrandire l'immagine. (Fonte: Littelfuse, Inc.)
Sfide all'affidabilità del prodotto
Sebbene gli standard in evoluzione abbiano migliorato le velocità di trasmissione dei dati e aumentato la potenza di ricarica, gli standard non prescrivono direttamente metodi specifici per proteggere l'interfaccia USB da pericoli esterni. Questo articolo affronterà i metodi per eliminare la possibilità di guasto da ESD e condizioni di surriscaldamento. Queste tecniche sono essenziali per garantire un prodotto più affidabile e robusto.
Protezione delle porte USB da ESD
Elettronico i circuiti come le porte USB esposti all'ambiente esterno tramite cavi e connettori sono potenziali bersagli per le scariche elettrostatiche. Gli attacchi ESD possono verificarsi attraverso il contatto diretto di una persona o attraverso l'aria se una fonte di energia crea un arco elettrico su un componente elettronico circuito. Le scariche elettrostatiche possono arrivare fino a 30 kV o più con tempi di salita rapidi e possono fondere tracce di silicio e conduttori con correnti fino a 30 A. Le scariche elettrostatiche, con così tanta energia, possono causare il guasto totale dei componenti.
Inoltre, gli attacchi ESD possono causare danni più sottili. La corrente dovuta a ESD può causare guasti software tra cui un cambiamento di stato in un dispositivo logico, latch-up o comportamento imprevedibile. Ciò può portare a un danneggiamento di un flusso di dati. I dati dovranno essere reinviati, il che rallenta la velocità di trasmissione dei dati. In caso di errore di latch-up, il sistema dovrà essere riavviato. L'ESD può anche causare un difetto latente in cui un componente funziona ancora ma è degradato e può guastarsi prematuramente.
I prodotti devono essere robusti per ESD per un'elevata affidabilità. Devono inoltre essere conformi agli standard internazionali come IEC 61000-4-23 per consentire le vendite in tutte le regioni del mondo. Figure 2 mostra una forma d'onda di prova simulata ESD specificata da IEC 61000-4-2 che un prodotto deve essere in grado di sopportare per la certificazione CE.
Figura 2: Forma d'onda del test ESD come specificato in IEC 61000-4-2. (Fonte: Littelfuse, Inc.)
È disponibile un'ampia gamma di prodotti per proteggere le porte di comunicazione dai danni ESD. Figure 3 mostra i componenti di protezione consigliati per linee su interfacce USB con capacità di erogazione di potenza fino a 100 W e range di erogazione di potenza esteso fino a 240 W. I componenti consigliati sono transitori voltaggio diodi soppressori (TVS). Tabella 2 descrive le tecnologie dei componenti e le rispettive caratteristiche e vantaggi.
Figura 3: Schemi a blocchi dell'interfaccia USB che mostrano i componenti consigliati (vedere la tabella 2) per la protezione da ESD. Clicca per ingrandire l'immagine. (Littelfuse, Inc.)
Tabella 2: Tecnologie di protezione USB consigliate (fonte: Littelfuse, Inc.)
Per le linee USB 2.0, considerare l'utilizzo di un diodo TVS unidirezionale SP3530 o equivalente. Questo diodo TVS può assorbire in sicurezza, senza degradazione, una scarica ESD da 22 kV, quasi 3 volte il livello di 8 kV richiesto dalla norma IEC 61000-4-2. In genere, una bassa capacità di 0.3 pF riduce al minimo l'interferenza con le transizioni del segnale. Questo componente è disponibile in un pacchetto 0201 a montaggio superficiale progettato per risparmiare spazio sulla scheda PC.
Le linee SuperSpeed richiedono un componente con la capacità più bassa possibile per non degradare le trasmissioni dati ad alta velocità. Ad esempio, i diodi TVS bidirezionali SP3213, due diodi collegati da anodo ad anodo, forniscono una protezione minima per scariche elettrostatiche fino a 12 kV. Questi diodi assorbono tipicamente 20 nA di corrente di dispersione per ridurre al minimo il consumo energetico del circuito e sono in un contenitore compatto a montaggio superficiale µDFN-2.
Per l'uso della banda laterale (SBU) e le linee del canale di configurazione (CC), considerare il diodo TVS unidirezionale SP1006. Questo componente può assorbire in sicurezza una scarica ESD da 30 kV in un contenitore µDFN-2. L'SP1006 è un diodo TVS molto robusto ed è qualificato AEC-Q101 per l'uso in applicazioni automobilistiche di comunicazione USB.4
La Vautobus le linee richiedono diodi TVS in grado di sopportare un livello di potenza superiore rispetto ai dispositivi di protezione della linea di segnale. La serie SPHV di diodi TVS da 200 W protegge una linea Vbus con capacità di 100 W. Il diodo SPHV resiste a 30 kV da scariche elettrostatiche ed è qualificato AEC-Q101 in un contenitore a montaggio superficiale. Per l'interfaccia Extended Power Range, una soluzione di esempio è il diodo SMBJ. Ha una potenza di picco superiore, 600 W, rispetto ai diodi SPHV e può assorbire colpi ESD fino a 30 kV. Come gli altri diodi TVS consigliati per le porte USB, i diodi SMBJ sono componenti a montaggio superficiale.
Ciascuno dei diversi diodi TVS svolge una funzione necessaria per proteggere una serie specifica di linee da ESD e non interferisce con la funzionalità della linea. L'integrazione di questi diodi nel circuito preverrà guasti immediati, guasti lievi e guasti latenti e prematuri.
Consigliato
Il grosso problema con la ricarica rapida tramite cavi USB di tipo C
Protezione delle spine e delle prese USB di tipo C dal surriscaldamento
L'elevata densità del connettore USB Type-C consente maggiori possibilità di contaminazione da sporco e polvere per causare guasti resistivi tra alimentazione e terra. In combinazione con una maggiore potenza sul Vautobus linea, il connettore USB ha un rischio maggiore di surriscaldamento, che può danneggiare il connettore, il cavo e l'elettronica della porta collegata. L'aumento di temperatura può fondere un connettore o, nel peggiore dei casi, provocare un incendio.
La soluzione per prevenire il surriscaldamento è un indicatore digitale della temperatura progettato per essere conforme alle specifiche del cavo e del connettore USB Type-C. L'indicatore della temperatura aumenta la sua resistenza di almeno cinque (5) decadi quando rileva una temperatura di 100° C o superiore. Il componente di esempio la tecnologia a cui si fa riferimento in questo articolo è l'esclusivo indicatore di temperatura digitale setP di Littelfuse. La sua curva caratteristica è mostrata in Figure 4 .
Figura 4: Curva resistenza/temperatura per un indicatore di temperatura che utilizza Littelfuse setP come esempio. Clicca per ingrandire l'immagine. (Fonte: Littelfuse, Inc.)
Come mostrato in Figure 3 , l'indicatore della temperatura è posizionato nella riga del canale di configurazione. Non è posto nella Vautobus linea in modo che non cali tensione o potenza e non riduca la capacità di erogazione della potenza sulla Vautobus linea. Se il componente rileva la temperatura che raggiunge i 100°C, la sua resistenza aumenta notevolmente. Il protocollo USB interpreta l'alta resistenza come una connessione aperta tra la connessione sorgente, Vautobus, e la connessione sink, il carico e la Vautobus la linea è disattivata.
Quando la condizione che causa il surriscaldamento viene corretta e la temperatura del sensore scende sotto la soglia dei 100°C, la sua resistenza si riporta al suo valore di bassa temperatura di circa 10 e Vautobus viene riattivato. Per ottenere i migliori risultati, l'indicatore di temperatura deve essere integrato in una presa USB e/o presa in modo che possa monitorare la temperatura del connettore all'origine del guasto.
A differenza di un dispositivo a coefficiente di temperatura positivo o di un miniinterruttore che deve essere nella Vautobus linea, un indicatore di temperatura digitale non consuma energia e riduce la capacità di erogazione della potenza. Inoltre, questi altri componenti sono limitati a 100 W e a una potenza inferiore, il che ne impedirebbe l'uso nell'applicazione USB Type-C con range di alimentazione esteso.
Il sensore di temperatura dovrebbe essere di piccole dimensioni in modo da consentire il rilevamento alla fonte dei guasti. Dovrebbe anche essere in grado di cambiare il suo stato resistivo in un (1) secondo per evitare danni al cavo e ai componenti elettronici. Figure 5 mostra come un indicatore di temperatura mantiene una temperatura di superficie del connettore sicura durante un errore di sovratemperatura.
Confronto dell'aumento inferiore della temperatura della superficie del connettore quando viene utilizzato un indicatore di temperatura (A Littelfuse setP) per la protezione da sovratemperatura. Fare clic per un'immagine più grande. (Fonte: Littelfuse, Inc.)
In breve
Senza la protezione adeguata, ESD o detriti nei connettori USB di tipo C possono causare guasti sul campo nella preziosa elettronica di consumo su cui gli utenti fanno affidamento quotidianamente. Gli ingegneri elettronici possono proteggere i loro ultimi progetti utilizzando diodi TVS per proteggere le linee USB da ESD e indicatori di temperatura digitali per proteggere i connettori dal surriscaldamento. Poiché i dispositivi mobili diventano sempre più piccoli e complessi e la richiesta di una ricarica più rapida continua ad aumentare, i progettisti devono affrontare l'ulteriore sfida di trovare componenti di protezione a montaggio superficiale più piccoli per adattarsi allo spazio limitato e ridurre al minimo lo spazio sul PCB necessario per mettere in atto la protezione necessaria metodi.
La previdenza su queste importanti considerazioni di progettazione aiuta a prevenire problemi per gli utenti finali. Contribuisce anche a prestazioni del prodotto più robuste, una durata del prodotto più lunga e una maggiore soddisfazione del consumatore.
Riferimenti:
1Sito Web del forum degli implementatori USB: Pagina iniziale | USB-IF.
2Bus seriale universale tipo C Specifiche del cavo e del connettore. Revisione 2.1. maggio 2021. USB Implementers Forum (USB-IF), Inc. Revisione delle specifiche del cavo e del connettore USB Type-C 2.1 | USB-IF.
3IEC 61000-4-2 Compatibilità elettromagnetica (EMC) – Parte 4-2: Tecniche di prova e misurazione I Test di immunità alle scariche elettrostatiche. Commissione Elettrotecnica Internazionale. Edizione 2.0 dicembre 2008.
4Sito web dell'Automotive Electronics Council: AECMain (aecouncil.com).
Indicatori di temperatura digitali per cavi USB Type-C Guida alla progettazione e all'installazione, Littelfuse, Inc., aprile 2019, aggiornato a settembre 2021
Circa l'autore
su Littelfuse