הצרכנים של היום הפכו במהירות תלויים בהתקנים ניידים המשלבים את תקן ממשק התקשורת USB-C או USB מסוג C-החל מסמארטפונים וטאבלטים ועד לבישים ולמחשבים ניידים. יציאת ה- USB משמשת גם כיציאת הטעינה המהירה עבור רוב המכשירים הללו. כתוצאה מכך, עיצוב הגנה חזקה מפני פריקה אלקטרוסטטית (ESD) ותנאי התחממות יתר מעולם לא היה חשוב יותר.
פורום USB-Implementers (USB-IF) שדרג את התקן באמצעות ארבע תיקונים גדולים.1 הוא תועד לראשונה בשנת 1996 והתפתח עם מהירות גבוהה יותר ומאפשר יותר כושר נשיאת כוח. תקן ה- USB התחיל בגרסה 1.0 והתקדם לגרסאות 2.0, 3.x, וכיום הוא עדכון 4, USB4. לוח 1 מפרט את הגרסאות מ- 2.0 ל- USB4 ומראה כיצד התפוקה המרבית של כל גרסה גדלה באופן משמעותי.
טבלה 1. אבולוציה של תקני USB המראים עלייה בשיעורי העברת הנתונים. (מקור: Littelfuse, Inc.)
כדי להתמודד עם קצבי העברת נתונים גבוהים יותר ואספקת חשמל גבוהה יותר, תקן כבל ומחבר USB מסוג C עודכן לגרסה 2.12 ותקן USB-PD (אספקת חשמל) עודכן לגרסה 3.1. איור 1 מציג את מחבר מסוג C שיכול ליישם את מערכות תכונות ה- USB המשופרות. גרסאות ה- PD מאפשרות טעינה והפעלה של מכשירים באמצעות ממשק ה- USB. קיבולת ההספק המרבית גדלה מ -2.5 W (5 V @ 0.5A) דרך 100 W (20 V @ 5A) ל, כרגע, טווח הספק מורחב של 240 W (48 V @ 5A). קיבולת ההספק הגבוהה יותר תפתח יישומי הפעלה וטעינה חדשים עבור USB-C כגון מחברות משחקים, תחנות עגינה, מסכי 4K ומחשבי All-in-One.
איור 1: מחברי USB מסוג A ו- C. למחבר מסוג C יש 24 פינים בהשוואה ל -4 פינים של מחבר סוג A. גובה מגע האותות למחבר מסוג C הוא 0.5 מ"מ. לחץ לתמונה גדולה יותר. (מקור: Littelfuse, Inc.)
אתגרים באמינות המוצר
בעוד שהסטנדרטים המתפתחים משפרים את קצבי העברת הנתונים והגדלת כוח הטעינה, התקנים אינם קובעים ישירות שיטות ספציפיות להגנה על ממשק ה- USB מפני סכנות חיצוניות. מאמר זה יעסוק בשיטות לחיסול האפשרות של כשל כתוצאה מ- ESD ותנאי התחממות יתר. טכניקות אלה חיוניות להבטחת מוצר אמין וחזק יותר.
הגנה על יציאות USB מפני ESD
אֶלֶקטרוֹנִי מעגלים כגון יציאות USB החשופות לסביבה החיצונית דרך כבלים ומחברים הם יעדים פוטנציאליים ל-ESD. פגיעות ESD יכולות להתרחש באמצעות מגע ישיר מאדם או דרך האוויר אם מקור אנרגיה עובר קשתות לאלקטרוניקה מעגל. שביתות ESD יכולות להיות עד 30 קילו וולט או יותר עם זמני עלייה מהירים ויכולות להמיס עקבות סיליקון ומנצח עם זרמים עד 30 A. ESD, עם אנרגיה רבה זו, יכול לגרום לכשל מוחלט של רכיבים.
בנוסף, שביתות ESD עלולות לגרום לנזק עדין יותר. זרם עקב ESD יכול לגרום לכישלונות רכים כולל שינוי מצב בהתקן לוגי, נעילה או התנהגות בלתי צפויה. זה יכול להוביל לשחיתות של זרם הנתונים. יהיה צורך לשלוח נתונים מחדש מה שמאט את קצב העברת הנתונים. במקרה של כישלון נעילה, המערכת תצטרך אתחול מחדש. ESD יכול גם לגרום לפגם סמוי שבו רכיב עדיין מתפקד אך מתדרדר ויכול להיכשל בטרם עת.
המוצרים צריכים להיות חזקים ל- ESD לאמינות גבוהה. הם חייבים לעמוד גם בתקנים בינלאומיים כגון IEC 61000-4-23 לאפשר מכירות בכל אזורי העולם. איור 2 מציג צורת גל בדיקה מדומה ESD שצוינה על ידי IEC 61000-4-2 אשר מוצר חייב להיות מסוגל לעמוד בה כדי לקבל אישור CE.
איור 2: צורת גל בדיקת ESD כמפורט ב- IEC 61000-4-2. (מקור: Littelfuse, Inc.)
יש מגוון רחב של מוצרים הזמינים להגנה על יציאות תקשורת מפני נזקי ESD. איור 3 מציג רכיבי הגנה מומלצים לקווים בממשקי USB עם קיבולת אספקת חשמל של עד 100 וואט וטווח אספקת חשמל מורחב עד 240 W. הרכיבים המומלצים הם חולפים מתח דיודות מדכאות (TVS). לוח 2 מתאר את טכנולוגיות הרכיבים ואת התכונות והיתרונות שלהם.
איור 3: תרשימי בלוק ממשק USB המציגים רכיבים מומלצים (ראה טבלה 2) להגנה מפני ESD. לחץ לתמונה גדולה יותר. (Littelfuse, Inc.)
טבלה 2: טכנולוגיות הגנה USB מומלצות (מקור: Littelfuse, Inc.)
עבור קווי USB 2.0, שקול להשתמש בדיודת TVS חד כיוונית SP3530 או שווה ערך. דיודת TVS זו יכולה לספוג בבטחה, ללא פגיעה, שביתת ESD של 22 kV, כמעט פי 3 מרמת ה 8 kV הנדרשת על פי חברת IEC 61000-4-2. בדרך כלל, קיבול נמוך של 0.3 pF ממזער הפרעות במעברי האות. רכיב זה זמין בחבילת הרכבה על משטח 0201 שנועדה לחסוך מקום בלוח המחשב האישי.
קווי SuperSpeed דורשים רכיב בעל הקיבול הנמוך ביותר האפשרי כדי לא לפגוע בשידור הנתונים המהיר. לדוגמה, דיודות ה- TVS דו-כיווניות SP3213, שתי דיודות המחוברות בין האנודה לאנודה מספקות הגנה מינימלית על שביתות ESD עד 12 קילו וולט. דיודות אלה שואבות בדרך כלל 20 nA של זרם דליפה כדי למזער את צריכת החשמל במעגל והן נמצאות באריזה קומפקטית של µDFN-2 המורכבת על פני השטח.
עבור קווי השימוש בפס הצד (SBU) וערוצי התצורה (CC), שקול את דיודת ה- TVS החד -כיוונית SP1006. רכיב זה יכול לספוג בבטחה שביתת ESD של 30 kV באריזה של µDFN-2. SP1006 היא דיודת TVS מחוספסת מאוד והיא מוסמכת AEC -Q101 לשימוש ביישומי רכב של תקשורת USB.4
Vאוטובוס קווים דורשים דיודות TVS שיכולות לעמוד ברמת הספק גבוהה יותר מאשר התקני ההגנה על קו האות. סדרת SPHV של דיודות TVS 200 וואט מגינה על קו Vbus בעל קיבולת של 100 וואט. דיודת SPHV עומדת על 30 קילו וולט ממתקני ESD והיא מתאימה ל- AEC-Q101 באריזה המורכבת על פני השטח. עבור הממשק Extended Power Range, פתרון לדוגמא הוא דיודת SMBJ. יש לו דירוג הספק שיא גבוה יותר, 600 וואט, מאשר דיודות SPHV ויכול לספוג שביתות ESD עד 30 קילו וולט. בדומה לדיודות TVS מומלצות אחרות ליציאות USB, דיודות ה- SMBJ הן רכיבים הרכובים על פני השטח.
כל אחת מדיודות ה- TVS השונות משרתת פונקציה הדרושה להגנה על קבוצת קווים ספציפית מפני ESD ואינן מפריעות לפונקציונליות של הקו. שילוב דיודות אלה במעגל ימנע תקלות מיידיות, כשלים רכים וכשלים סמומים מוקדמים.
מוּמלָץ
הבעיה הגדולה עם טעינה מהירה באמצעות כבלי USB מסוג C
הגנה על תקעים וכלי USB מסוג C מפני התחממות יתר
הצפיפות הגבוהה של מחבר ה- USB Type-C מאפשרת יותר זיהום מפני לכלוך ואבק לגרום לתקלות התנגדות בין חשמל לאדמה. בשילוב עם הספק גבוה יותר ב- Vאוטובוס קו, למחבר ה- USB יש סיכון גבוה יותר להתחממות יתר, מה שעלול לפגוע במחבר, בכבל ובאלקטרוניקה של היציאה המחוברת. עליית הטמפרטורה יכולה להמיס מחבר או, במקרה הגרוע ביותר, להצית שריפה.
הפתרון למניעת התחממות יתר הוא מחוון טמפרטורה דיגיטלי שנועד להיות תואם למפרטי כבל USB Type-C ומחברים. מחוון הטמפרטורה מגביר את ההתנגדות שלו בחמישה (5) עשורים לפחות כאשר הוא מזהה טמפרטורה של 100 מעלות צלזיוס ומעלה. הרכיב לדוגמה טֶכנוֹלוֹגִיָה הפנה במאמר זה הוא מחוון הטמפרטורה הדיגיטלי הייחודי setP מבית Littelfuse. העקומה האופיינית שלו מוצגת ב איור 4.
איור 4: עקומת התנגדות מול טמפרטורה עבור מחוון טמפרטורה באמצעות setP Littelfuse כדוגמה. לחץ לתמונה גדולה יותר. (מקור: Littelfuse, Inc.)
כמו שמוצג ב איור 3, מחוון הטמפרטורה ממוקם בשורת ערוצי התצורה. הוא אינו ממוקם ב- Vאוטובוס קו כך שהוא לא יוריד מתח או הספק ולא יפחית את קיבולת אספקת החשמל ב- Vאוטובוס קַו. אם הרכיב מזהה את הטמפרטורה המגיעה ל -100 מעלות צלזיוס, עמידותו עולה באופן משמעותי. פרוטוקול ה- USB מפרש את ההתנגדות הגבוהה כחיבור פתוח בין חיבור המקור, Vאוטובוס, וחיבור הכיור, העומס ו- Vאוטובוס הקו מבוטל.
כאשר המצב הגורם להתחממות יתר מתוקן והטמפרטורה של חיישן נופל מתחת לסף 100 מעלות צלזיוס, ההתנגדות שלו מתאפסת לערך הטמפרטורה הנמוכה שלו בסביבות 10 Ω ו- Vאוטובוס מופעל מחדש. לקבלת התוצאות הטובות ביותר, מחוון הטמפרטורה צריך להיות מובנה בתוך תקע USB ו/או מחבר, כך שיוכל לעקוב אחר טמפרטורת המחבר במקור התקלה.
בניגוד למכשיר מקדם טמפרטורה חיובי או מפסק מיני-מעגלי אשר חייב להיות ב- Vאוטובוס קו, מחוון טמפרטורה דיגיטלי אינו צורך צריכת חשמל ומפחית את כושר אספקת החשמל. יתר על כן, רכיבים אחרים אלה מוגבלים ל -100 וואט והספק נמוך יותר אשר ימנע את השימוש בהם ביישום USB Type-C המורחב בטווח הספק.
חיישן הטמפרטורה צריך להיות קטן בגודלו כך שיאפשר זיהוי במקור התקלות. הוא אמור להיות מסוגל לשנות את מצב ההתנגדות שלו תוך שנייה אחת (1) כדי למנוע נזק לכבל ולרכיבים האלקטרוניים. איור 5 מראה כיצד מחוון טמפרטורה שומר על טמפרטורת משטח בטוח של מחבר במהלך תקלה בטמפרטורה יתר.
השוואה בין העלייה הנמוכה יותר בטמפרטורת פני השטח של המחבר כאשר מחוון טמפרטורה (ערכת Littelfuse P) משמש להגנה על טמפרטורת יתר. לחץ לתמונה גדולה יותר (מקור: Littelfuse, Inc.)
<br> סיכום
ללא ההגנה הנכונה, ESD או פסולת במחברי USB Type-C עלולים לגרום לכשלים בשטח במכשירי האלקטרוניקה הצרכנים היקרים שעליהם משתמשים מסתמכים על בסיס יומי. מהנדסי אלקטרוניקה יכולים להגן על העיצובים העדכניים ביותר שלהם באמצעות דיודות TVS כדי להגן על קווי ה- USB מפני מחווני ESD ומחווני טמפרטורה דיגיטליים כדי להגן על מחברים מפני התחממות יתר. ככל שהמכשירים הניידים הופכים קטנים יותר ומורכבים יותר והדרישה לטעינה מהירה יותר ממשיכה לגדול, מתכננים להתמודד עם האתגר הנוסף למצוא רכיבי הגנה קטנים יותר על משטח שיתאימו לשטח המוגבל ולמזער את הנדל"ן הנדרש על מנת להקים את ההגנה הדרושה. שיטות.
מחשבה מוקדמת על שיקולי עיצוב חשובים אלה מסייעת במניעת בעיות עבור משתמשי הקצה. הוא גם תורם לביצועי מוצר חזקים יותר, לחיי מוצר ארוכים יותר ולשביעות רצון הצרכנים.
הפניות:
1אתר פורום USB-Implementers: עמוד ראשון | USB-IF.
2אוטובוס סידורי אוניברסלי מסוג C מפרט כבל ומחבר. עדכון 2.1. מאי 2021. פורום מיישמי USB (USB-IF), Inc. כבל USB Type-C ומפרט מחבר עדכון 2.1 | USB-IF.
3IEC 61000-4-2 תאימות אלקטרומגנטית (EMC)-חלק 4-2: טכניקות בדיקה ומדידה I בדיקת חסינות פריקה אלקטרוסטטית. הוועדה הבין - לאומית לחשמל. מהדורה 2.0 בדצמבר 2008.
4אתר מועצת האלקטרוניקה לרכב: AECMain (aecouncil.com).
מדדי טמפרטורה דיגיטליים לעיצוב והתקנת כבלי USB מסוג C, Littelfuse, Inc., אפריל 2019, עודכן בספטמבר 2021
על הסופר
לגבי ליטלפוז