今日の消費者は、スマートフォンやタブレットからウェアラブルやラップトップまで、USB-CまたはUSB-TypeCの通信インターフェイス規格を組み込んだモバイルデバイスにすぐに依存するようになりました。 USBポートは、これらのデバイスのほとんどの急速充電ポートとしても機能します。 その結果、静電放電（ESD）および過熱状態に対する堅牢な保護を設計することがこれまで以上に重要になっています。
USB-Implementers Forum（USB-IF）は、XNUMXつの主要な改訂を通じて標準をアップグレードしました。1 それは1996年に最初に標準化され、より高速で進化し、より多くの電力容量を可能にしました。 USB規格は、バージョン1.0から始まり、バージョン2.0、3.xバージョンまで進んでおり、現在はリビジョン4、USB4までです。 テーブル1 は、2.0からUSB4までのバージョンをリストし、各バージョンの最大スループットがどのように大幅に向上したかを示しています。
表1.データ伝送速度の増加を示すUSB標準の進化。 （出典：Littelfuse、Inc。）
より高いデータ伝送速度とより高い電力供給を処理するために、USBType-Cケーブルおよびコネクタ規格がリビジョン2.1に更新されました2 USB-PD（電力供給）規格がリビジョン3.1に更新されました。 図1 は、拡張USB機能セットを実装できるType-Cコネクタを示しています。 PDリビジョンでは、USBインターフェイスを介してデバイスを充電および給電できます。 最大電力容量は、2.5 W（5 V @ 0.5A）から100 W（20 V @ 5A）に増加し、現在、240 W（48 V @ 5A）の拡張電力範囲になっています。 より高い電力容量は、ゲーミングノートブック、ドッキングステーション、4Kモニター、オールインワンコンピューターなどのUSB-C用の新しい電力供給および充電アプリケーションを開きます。
図1：USBType-AおよびType-Cコネクタ。 Type-CコネクタはType-Aコネクタの24ピンと比較して4ピンです。 Type-Cコネクタの信号接点ピッチは0.5mmです。 クリックすると大きな画像が表示されます。 （出典：Littelfuse、Inc。）
製品の信頼性への挑戦
進化する規格はデータ伝送速度を改善し、充電電力を増加させましたが、規格はUSBインターフェースを外部の危険から保護するための特定の方法を直接規定していません。 この記事では、ESDおよび過熱状態による障害の可能性を排除する方法について説明します。 これらの技術は、より信頼性が高く堅牢な製品を保証するために不可欠です。
USBポートをESDから保護する
エレクトロニック ケーブルやコネクタを通じて外部環境にさらされている USB ポートなどの回路は、ESD の潜在的なターゲットとなります。 ESD ストライクは、人からの直接接触によって、またはエネルギー源が電子機器にアーク放電した場合に空気を通じて発生する可能性があります。 回路。 ESDストライクは、立ち上がり時間が速い場合は最大30 kV以上になる可能性があり、最大30 Aの電流でシリコンと導体トレースを溶かす可能性があります。ESDは、これだけのエネルギーで、コンポーネントの完全な故障を引き起こす可能性があります。
さらに、ESDストライキはより微妙な損傷を引き起こす可能性があります。 ESDによる電流は、ロジックデバイスの状態変化、ラッチアップ、または予測できない動作などのソフト障害を引き起こす可能性があります。 これにより、データストリームが破損する可能性があります。 データを再送信する必要があるため、データ転送速度が低下します。 ラッチアップ障害が発生した場合、システムを再起動する必要があります。 ESDは、コンポーネントがまだ機能しているが劣化し、早期に故障する可能性がある潜在的な欠陥を引き起こす可能性もあります。
製品は、高い信頼性のためにESDに対して堅牢である必要があります。 また、IEC61000-4-2などの国際規格にも準拠する必要があります3 世界のすべての地域での販売を可能にします。 図2 は、製品がCE認証に耐えることができなければならないIEC61000-4-2で指定されたESDシミュレーションテスト波形を示しています。
図2：IEC 61000-4-2で指定されているESDテスト波形（出典：Littelfuse、Inc。）
通信ポートをESD損傷から保護するために利用できる製品は幅広くあります。 図3 は、最大100Wの電力供給容量と最大240Wの拡張電力供給範囲を備えたUSBインターフェイス上の回線に推奨される保護コンポーネントを示しています。推奨されるコンポーネントは一時的なものです。 電圧 サプレッサー（TVS）ダイオード。 テーブル2 コンポーネントテクノロジとそれぞれの機能および利点について説明します。
図3：ESDから保護するための推奨コンポーネント（表2を参照）を示すUSBインターフェースのブロック図。 クリックすると大きな画像が表示されます。 （リテルヒューズ株式会社）
表2：推奨されるUSB保護テクノロジー（出典：Littelfuse、Inc。）
USB 2.0ラインの場合は、SP3530単方向TVSダイオードまたは同等品の使用を検討してください。 このTVSダイオードは、22 kVのESDストライクを劣化させることなく安全に吸収できます。これは、IEC3-8-61000で要求される4kVレベルのほぼ2倍です。 通常、0.3 pFの低静電容量は、信号遷移への干渉を最小限に抑えます。 このコンポーネントは、PCボードのスペースを節約するように設計された0201表面実装パッケージで提供されます。
SuperSpeedラインは、高速データ伝送を劣化させないために、可能な限り低い静電容量を持つコンポーネントを必要とします。 たとえば、SP3213双方向TVSダイオード、アノード間で接続された12つのダイオードは、最大20kVのESDストライクに対する最小限の保護を提供します。 これらのダイオードは、回路の消費電力を最小限に抑えるために、通常2 nAのリーク電流を消費し、コンパクトなµDFN-XNUMX表面実装パッケージに収められています。
側波帯使用（SBU）および構成チャネル（CC）ラインについては、SP1006単方向TVSダイオードを検討してください。 このコンポーネントは、µDFN-30パッケージで2kVのESDストライクを安全に吸収できます。 SP1006は非常に頑丈なTVSダイオードであり、USB通信の自動車アプリケーションでの使用にAEC-Q101認定されています。4
Vバス ラインには、信号ライン保護デバイスよりも高いレベルの電力に耐えることができるTVSダイオードが必要です。 200 W TVSダイオードのSPHVシリーズは、100W容量のVbusラインを保護します。 SPHVダイオードは、ESDストライクから30 kVに耐え、表面実装パッケージでAEC-Q101認定を受けています。 拡張電力範囲インターフェースの場合、ソリューションの例はSMBJダイオードです。 SPHVダイオードよりも高いピーク電力定格600Wを備えており、最大30kVのESDストライクを吸収できます。 USBポートに推奨される他のTVSダイオードと同様に、SMBJダイオードは表面実装コンポーネントです。
異なるTVSダイオードはそれぞれ、特定のラインセットをESDから保護するために必要な機能を果たし、ラインの機能を妨害しません。 これらのダイオードを回路に組み込むことで、即時の障害、ソフト障害、および潜在的な早期障害を防ぐことができます。
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USBType-Cケーブルを使用した急速充電の大きな問題
USBType-Cプラグとレセプタクルを過熱から保護する
USB Type-Cコネクタの密度が高いため、汚れやほこりによる汚染が発生し、電源とアースの間に抵抗性の障害が発生する可能性が高くなります。 Vのより高いパワーと組み合わせるバス USBコネクタは過熱するリスクが高く、コネクタ、ケーブル、および接続されているポートの電子機器が損傷する可能性があります。 温度が上昇すると、コネクタが溶けたり、最悪の場合、火災が発生したりする可能性があります。
過熱を防ぐソリューションは、USB Type-C ケーブルとコネクタの仕様に準拠するように設計されたデジタル温度インジケーターです。 温度インジケーターは、5°C 以上の温度を検出すると、その抵抗が少なくとも 100 倍増加します。 サンプルコンポーネント テクノロジー この記事で参照されているのは、リテルヒューズ独自の setP デジタル温度インジケーターです。 その特性曲線を以下に示します。 図4.
図4：例としてLittelfusesetPを使用した温度インジケーターの抵抗対温度曲線。 クリックすると大きな画像が表示されます。 （出典：Littelfuse、Inc。）
に示すように 図3、温度インジケータは構成チャネルラインに配置されます。 Vには配置されませんバス 電圧や電力を落とさず、Vの電力供給の容量を低下させないようにラインバス ライン。 コンポーネントが100°Cに達する温度を検出すると、その抵抗は大幅に増加します。 USBプロトコルは、高抵抗をソース接続V間のオープン接続として解釈します。バス、およびシンク接続、負荷、およびVバス 回線が非アクティブ化されます。
過熱の原因となった状態を修正し、 センサー 100°Cのしきい値を下回ると、抵抗は約10ΩおよびVの低温値にリセットされます。バス 再通電されます。 最良の結果を得るには、温度インジケータをUSBプラグやレセプタクルに組み込んで、障害の原因となったコネクタの温度を監視できるようにする必要があります。
正の温度係数デバイスやミニサーキットブレーカとは異なり、Vにある必要がありますバス ライン、デジタル温度インジケーターは電力を消費せず、電力供給能力を低下させます。 さらに、これらの他のコンポーネントは100 W以下の電力に制限されているため、拡張電力範囲のUSBType-Cアプリケーションでの使用が妨げられます。
温度センサーは、障害の原因を検出できるように、サイズを小さくする必要があります。 また、ケーブルや電子部品の損傷を防ぐために、1秒以内に抵抗状態を変更できる必要があります。 図5 は、温度インジケータが過熱障害時にコネクタの表面温度を安全に維持する方法を示しています。
温度インジケータ（リテルヒューズsetP）を過熱保護に使用した場合のコネクタ表面温度の低い上昇の比較。 クリックすると拡大画像が表示されます（出典：Littelfuse、Inc。）
まとめ
適切な保護がないと、USB Type-CコネクタのESDまたは破片が、ユーザーが日常的に使用している貴重な家電製品のフィールド障害を引き起こす可能性があります。 エレクトロニクスエンジニアは、TVSダイオードを使用してUSBラインをESDから保護し、デジタル温度インジケータを使用してコネクタを過熱から保護することにより、最新の設計を保護できます。 モバイルデバイスがより小さく、より複雑になり、より高速な充電の需要が増え続けるにつれて、設計者は、限られたスペースに対応し、必要な保護を導入するために必要なPCBのスペースを最小限に抑えるために、より小さな表面実装保護コンポーネントを見つけるという追加の課題に直面します。メソッド。
これらの重要な設計上の考慮事項について事前に検討することで、エンドユーザーの問題を防ぐことができます。 また、より堅牢な製品パフォーマンス、より長い製品寿命、およびより大きな消費者満足度にも貢献します。
参照：
1USB-Implementers ForumのWebサイト：フロントページ| USB-IF。
2ユニバーサルシリアルバスType-C ケーブルとコネクタの仕様。 リビジョン2.1。 2021年XNUMX月. USB Implementers Forum（USB-IF）、Inc。USBType-Cケーブルおよびコネクタ仕様リビジョン2.1 | USB-IF。
3IEC 61000-4-2電磁両立性（EMC）–パート4-2：テストおよび測定技術I静電放電イミュニティテスト。 国際電気標準会議。 エディション2.0 2008年XNUMX月。
4Automotive Electronics CouncilのWebサイト：AECMain（aecouncil.com）。
USBType-Cケーブル用デジタル温度インジケーター設計および設置ガイド、Littelfuse、Inc.、2019年2021月、XNUMX年XNUMX月更新
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