오늘날의 소비자는 스마트폰과 태블릿에서 웨어러블 및 노트북에 이르기까지 USB-C 또는 USB-Type C, 통신 인터페이스 표준을 통합하는 모바일 장치에 빠르게 의존하게 되었습니다. USB 포트는 또한 대부분의 이러한 장치의 고속 충전 포트 역할도 합니다. 결과적으로 정전기 방전(ESD) 및 과열 조건에 대한 강력한 보호 설계가 그 어느 때보다 중요해졌습니다.
USB-IF(USB-Implementers Forum)는 네 가지 주요 개정판을 통해 표준을 업그레이드했습니다.1 1996년에 처음으로 표준화되었으며 더 빠른 속도로 발전하고 더 많은 전력을 전달할 수 있습니다. USB 표준은 버전 1.0에서 시작하여 버전 2.0, 3.x 버전을 거쳐 현재 버전 4인 USB4까지 진행되었습니다. 표 1 2.0에서 USB4까지의 버전을 나열하고 각 버전의 최대 처리량이 어떻게 크게 증가했는지 보여줍니다.
표 1. 데이터 전송 속도의 증가를 보여주는 USB 표준의 진화. (출처: Littelfuse, Inc.)
더 높은 데이터 전송 속도와 더 높은 전력 공급을 처리하기 위해 USB Type-C 케이블 및 커넥터 표준이 버전 2.1로 업데이트되었습니다.2 USB-PD(전력 공급) 표준이 개정판 3.1로 업데이트되었습니다. 그림 1 향상된 USB 기능 세트를 구현할 수 있는 Type-C 커넥터를 보여줍니다. PD 개정을 통해 USB 인터페이스를 통해 장치를 충전하고 전원을 공급할 수 있습니다. 최대 전력 용량은 2.5W(5V @0.5A)에서 100W(20V @ 5A)로 증가하여 현재 240W(48V @ 5A)의 확장된 전력 범위로 확장되었습니다. 더 높은 전력 용량은 게임용 노트북, 도킹 스테이션, 4K 모니터, 올인원 컴퓨터와 같은 USB-C를 위한 새로운 전원 공급 및 충전 애플리케이션을 열어줄 것입니다.
그림 1: USB Type-A 및 Type-C 커넥터. Type-C 커넥터에는 Type-A 커넥터의 24핀에 비해 4핀이 있습니다. Type-C 커넥터의 신호 접점 피치는 0.5mm입니다. 더 큰 이미지를 보려면 클릭하세요. (출처: Littelfuse, Inc.)
제품 신뢰성에 대한 도전
진화하는 표준은 데이터 전송 속도를 개선하고 충전 전력을 증가시켰지만 표준은 USB 인터페이스를 외부 위험으로부터 보호하기 위한 특정 방법을 직접적으로 규정하지 않습니다. 이 기사에서는 ESD 및 과열 조건으로 인한 고장 가능성을 제거하는 방법을 설명합니다. 이러한 기술은 보다 안정적이고 견고한 제품을 보장하는 데 필수적입니다.
ESD로부터 USB 포트 보호
전자 케이블과 커넥터를 통해 외부 환경에 노출되는 USB 포트와 같은 회로는 ESD의 잠재적인 대상입니다. ESD 파업은 사람과의 직접적인 접촉을 통해 또는 에너지원이 전자 장치에 아크를 발생시키는 경우 공기를 통해 발생할 수 있습니다. 회로. ESD 스트라이크는 빠른 상승 시간으로 최대 30kV 이상일 수 있으며 최대 30A 전류로 실리콘 및 도체 트레이스를 녹일 수 있습니다. 이 많은 에너지를 가진 ESD는 구성 요소의 전체 고장을 일으킬 수 있습니다.
또한 ESD 공격은 더 미묘한 손상을 일으킬 수 있습니다. ESD로 인한 전류는 논리 장치의 상태 변경, 래치업 또는 예측할 수 없는 동작을 포함한 소프트 오류를 유발할 수 있습니다. 이로 인해 데이터 스트림이 손상될 수 있습니다. 데이터를 다시 보내야 하므로 데이터 전송 속도가 느려집니다. 래치업 실패의 경우 시스템을 재부팅해야 합니다. ESD는 또한 구성 요소가 여전히 작동하지만 성능이 저하되고 조기에 고장날 수 있는 잠재적 결함을 유발할 수 있습니다.
제품은 높은 신뢰성을 위해 ESD에 견고해야 합니다. 또한 IEC 61000-4-2와 같은 국제 표준을 준수해야 합니다.3 전 세계 모든 지역에서 판매를 가능하게 합니다. 그림 2 제품이 CE 인증을 견딜 수 있어야 하는 IEC 61000-4-2에 지정된 ESD 시뮬레이션 테스트 파형을 보여줍니다.
그림 2: IEC 61000-4-2에 명시된 ESD 테스트 파형(출처: Littelfuse, Inc.)
ESD 손상으로부터 통신 포트를 보호하기 위해 사용할 수 있는 다양한 제품이 있습니다. 그림 3 최대 100W 전력 공급 용량 및 최대 240W까지 확장된 전력 공급 범위를 가진 USB 인터페이스의 라인에 대한 권장 보호 구성 요소를 보여줍니다. 권장 구성 요소는 일시적입니다. 전압 억제기(TVS) 다이오드. 표 2 구성 요소 기술과 해당 기능 및 이점에 대해 설명합니다.
그림 3: ESD로부터 보호하기 위해 권장되는 구성 요소(표 2 참조)를 보여주는 USB 인터페이스 블록 다이어그램. 더 큰 이미지를 보려면 클릭하세요. (Littelfuse, Inc.)
표 2: 권장 USB 보호 기술(출처: Littelfuse, Inc.)
USB 2.0 라인의 경우 SP3530 단방향 TVS 다이오드 또는 동급의 사용을 고려하십시오. 이 TVS 다이오드는 IEC 22-3-8에서 요구하는 61000kV 레벨의 거의 4배인 2kV ESD 충격을 성능 저하 없이 안전하게 흡수할 수 있습니다. 일반적으로 0.3pF의 낮은 커패시턴스는 신호 전환에 대한 간섭을 최소화합니다. 이 구성 요소는 PC 보드 공간을 절약하도록 설계된 0201 표면 실장 패키지로 제공됩니다.
SuperSpeed 라인은 고속 데이터 전송을 저하시키지 않기 위해 가능한 가장 낮은 커패시턴스를 가진 부품을 필요로 합니다. 예를 들어 SP3213 양방향 TVS 다이오드, 양극과 양극에 연결된 12개의 다이오드는 최대 20kV의 ESD 스트라이크에 대해 최소한의 보호 기능을 제공합니다. 이 다이오드는 회로 전력 소비를 최소화하기 위해 일반적으로 2nA의 누설 전류를 소비하며 소형 µDFN-XNUMX 표면 실장 패키지로 제공됩니다.
측파대 사용(SBU) 및 구성 채널(CC) 라인의 경우 SP1006 단방향 TVS 다이오드를 고려하십시오. 이 구성 요소는 µDFN-30 패키지에서 2kV ESD 충격을 안전하게 흡수할 수 있습니다. SP1006은 매우 견고한 TVS 다이오드이며 USB 통신의 자동차 애플리케이션에 사용하도록 AEC-Q101 인증을 받았습니다.4
브이버스 라인에는 신호 라인 보호 장치보다 높은 수준의 전력을 견딜 수 있는 TVS 다이오드가 필요합니다. 200W TVS 다이오드의 SPHV 계열은 100W 용량의 Vbus 라인을 보호합니다. SPHV 다이오드는 ESD 스트라이크에서 30kV를 견디며 표면 실장 패키지에서 AEC-Q101 인증을 받았습니다. Extended Power Range 인터페이스의 경우 솔루션의 예는 SMBJ 다이오드입니다. SPHV 다이오드보다 피크 전력 정격이 600W 더 높으며 최대 30kV의 ESD 충격을 흡수할 수 있습니다. USB 포트용으로 권장되는 다른 TVS 다이오드와 마찬가지로 SMBJ 다이오드는 표면 실장 부품입니다.
각기 다른 TVS 다이오드는 특정 라인 세트를 ESD로부터 보호하는 데 필요한 기능을 수행하고 라인의 기능을 방해하지 않습니다. 이러한 다이오드를 회로에 통합하면 즉각적인 오류, 소프트 오류 및 잠재적인 조기 오류를 방지할 수 있습니다.
추천
USB Type-C 케이블을 사용한 고속 충전의 큰 문제
과열로부터 USB Type-C 플러그 및 콘센트 보호
USB Type-C 커넥터의 고밀도는 먼지와 먼지로 인한 오염이 전원과 접지 사이에 저항성 결함을 일으킬 가능성을 더 많이 허용합니다. V에 더 높은 전력과 결합버스 USB 커넥터가 과열되어 커넥터, 케이블 및 연결된 포트 전자 장치를 손상시킬 수 있는 위험이 더 큽니다. 온도 상승으로 커넥터가 녹거나 최악의 경우 화재가 발생할 수 있습니다.
과열 방지 솔루션은 USB Type-C 케이블 및 커넥터 사양을 준수하도록 설계된 디지털 온도 표시기입니다. 온도 표시기는 5°C 이상의 온도를 감지하면 저항을 최소 100디케이드만큼 증가시킵니다. 예제 구성 요소 technology 이 기사에서 참조한 것은 Littelfuse의 고유한 setP 디지털 온도 표시기입니다. 그 특성 곡선은 다음과 같습니다. 그림 4.
그림 4: Littelfuse setP를 예로 사용한 온도 표시기의 저항 대 온도 곡선. 더 큰 이미지를 보려면 클릭하세요. (출처: Littelfuse, Inc.)
도시 된 바와 같이 그림 3, 온도 표시기는 구성 채널 라인에 배치됩니다. V에 배치되지 않습니다.버스 전압이나 전력을 떨어뜨리지 않고 V의 전력 공급 용량을 줄이지 않도록 라인버스 선. 구성 요소가 100°C에 도달하는 온도를 감지하면 저항이 크게 증가합니다. USB 프로토콜은 높은 저항을 소스 연결 V 사이의 열린 연결로 해석합니다.버스및 싱크 연결, 부하 및 V버스 라인이 비활성화됩니다.
과열의 원인이 되는 조건을 교정하고 온도를 감지기 100°C 임계값 아래로 떨어지면 저항이 약 10Ω 및 V의 저온 값으로 재설정됩니다.버스 재활성화됩니다. 최상의 결과를 얻으려면 온도 표시기가 USB 플러그 및/또는 콘센트에 내장되어 결함 원인에서 커넥터 온도를 모니터링할 수 있어야 합니다.
V에 있어야 하는 양의 온도 계수 장치 또는 소형 회로 차단기와 달리버스 라인에서 디지털 온도 표시기는 전력을 소비하지 않으며 전력 공급 용량을 감소시킵니다. 또한 이러한 다른 구성 요소는 100W 및 더 낮은 전력으로 제한되어 확장된 전력 범위 USB Type-C 애플리케이션에서 사용할 수 없습니다.
온도 센서는 결함의 원인을 감지할 수 있도록 크기가 작아야 합니다. 또한 케이블 및 전자 부품의 손상을 방지하기 위해 1초 이내에 저항 상태를 변경할 수 있어야 합니다. 그림 5 온도 표시기가 과열 오류 동안 안전한 커넥터 표면 온도를 유지하는 방법을 보여줍니다.
온도 표시기(Littelfuse setP)를 과열 보호에 사용할 때 커넥터 표면 온도의 낮은 상승 비교. 큰 이미지를 보려면 클릭하십시오.(출처: Littelfuse, Inc.)
요약
적절한 보호가 없으면 USB Type-C 커넥터의 ESD 또는 파편으로 인해 사용자가 매일 의존하는 귀중한 가전 제품에서 현장 오류가 발생할 수 있습니다. 전자 엔지니어는 TVS 다이오드를 사용하여 ESD로부터 USB 라인을 보호하고 커넥터가 과열되지 않도록 디지털 온도 표시기를 사용하여 최신 설계를 보호할 수 있습니다. 모바일 장치가 더 작고 더 복잡해지고 더 빠른 충전에 대한 요구가 계속 증가함에 따라 설계자는 제한된 공간을 수용하고 필요한 보호를 배치하는 데 필요한 PCB 공간을 최소화하기 위해 더 작은 표면 실장 보호 부품을 찾아야 하는 추가적인 과제에 직면해 있습니다. 행동 양식.
이러한 중요한 설계 고려 사항에 대한 사전 고려는 최종 사용자의 문제를 예방하는 데 도움이 됩니다. 또한 더 강력한 제품 성능, 더 긴 제품 수명 및 더 큰 소비자 만족도에 기여합니다.
참조 :
1USB 구현자 포럼 웹사이트: 첫 페이지 | USB-IF.
2범용 직렬 버스 Type-C 케이블 및 커넥터 사양. 개정 2.1. 2021년 XNUMX월. USB 구현자 포럼(USB-IF), Inc. USB Type-C 케이블 및 커넥터 사양 개정판 2.1 | USB-IF.
3IEC 61000-4-2전자파 적합성(EMC) – 파트 4-2: 테스트 및 측정 기법 I 정전기 방전 내성 테스트. 국제 전자 기술위원회. 에디션 2.0 2008년 XNUMX월.
4Automotive Electronics Council 웹사이트: AECMain(aecouncil.com).
USB Type-C 케이블용 디지털 온도 표시기 설계 및 설치 가이드, Littelfuse, Inc., 2019년 2021월, XNUMX년 XNUMX월 업데이트됨
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