Pengguna hari ini dengan cepat bergantung pada peranti mudah alih yang menggabungkan standard antara muka komunikasi USB-C, atau USB-Type C - dari telefon pintar dan tablet hingga yang boleh dipakai dan komputer riba. Port USB juga berfungsi sebagai port pengecasan pantas untuk kebanyakan peranti ini juga. Akibatnya, merancang perlindungan yang kuat terhadap pelepasan elektrostatik (ESD) dan keadaan terlalu panas tidak pernah penting.
Forum Pelaksana USB (USB-IF) telah meningkatkan standard melalui empat semakan utama.1 Ini pertama kali diseragamkan pada tahun 1996 dan telah berkembang dengan kelajuan yang lebih tinggi dan membolehkan lebih banyak daya daya. Piawaian USB bermula dengan versi 1.0 dan telah maju melalui versi 2.0, 3.x versi, dan saat ini sampai ke semakan 4, USB4. Jadual 1 menyenaraikan versi dari 2.0 hingga USB4 dan menunjukkan bagaimana throughput maksimum setiap versi telah meningkat dengan ketara.
Jadual 1. Evolusi standard USB yang menunjukkan peningkatan dalam kadar penghantaran data. (Sumber: Littelfuse, Inc.)
Untuk menangani kadar penghantaran data yang lebih tinggi dan penghantaran kuasa yang lebih tinggi, standard kabel dan penyambung USB Type-C telah dikemas kini kepada semakan 2.12 dan standard USB-PD (penghantaran kuasa) telah dikemas kini kepada semakan 3.1. Rajah 1 menunjukkan penyambung Type-C yang dapat melaksanakan set ciri USB yang dipertingkatkan. Semakan PD membolehkan peranti dicas dan digerakkan melalui antara muka USB. Kapasiti daya maksimum telah meningkat dari 2.5 W (5 V @ 0.5A) hingga 100 W (20 V @ 5A) menjadi, pada masa ini, julat kuasa yang diperluas 240 W (48 V @ 5A). Kapasiti kuasa yang lebih tinggi akan membuka aplikasi pengaktifan dan pengecasan baru untuk USB-C seperti notebook permainan, stesen dok, monitor 4K, dan komputer all-in-one.
Gambar 1: Penyambung USB Type-A dan Type-C. Penyambung Type-C mempunyai 24 pin berbanding dengan 4-pin penyambung Type-A. Papan kenalan isyarat untuk penyambung Type-C ialah 0.5 mm. Klik untuk gambar yang lebih besar. (Sumber: Littelfuse, Inc.)
Cabaran untuk kebolehpercayaan produk
Walaupun standard yang berkembang telah meningkatkan kadar penghantaran data dan meningkatkan daya pengecasan, standard tersebut tidak secara langsung menetapkan kaedah khusus untuk melindungi antara muka USB dari bahaya luaran. Artikel ini akan membahas kaedah untuk menghilangkan kemungkinan kegagalan dari ESD dan keadaan terlalu panas. Teknik ini penting untuk memastikan produk yang lebih dipercayai dan mantap.
Melindungi port USB dari ESD
Elektronik litar seperti port USB yang terdedah kepada persekitaran luaran melalui kabel dan penyambung adalah sasaran yang berpotensi untuk ESD. Serangan ESD boleh berlaku melalui sentuhan langsung daripada seseorang atau melalui udara jika sumber tenaga merangkak ke elektronik litar. Teguran ESD boleh mencapai 30 kV atau lebih dengan masa kenaikan yang cepat dan dapat mencairkan jejak silikon dan konduktor dengan arus hingga 30 A. ESD, dengan tenaga yang banyak ini, boleh menyebabkan kegagalan komponen sepenuhnya.
Di samping itu, serangan ESD dapat menyebabkan kerosakan yang lebih halus. Semasa disebabkan oleh ESD boleh menyebabkan kegagalan lembut termasuk perubahan keadaan pada peranti logik, penguncian, atau tingkah laku yang tidak dapat diramalkan. Ini boleh menyebabkan kerosakan aliran data. Data perlu dihantar semula yang melambatkan kadar penghantaran data. Sekiranya kegagalan penyambungan, sistem akan memerlukan reboot. ESD juga boleh menyebabkan kecacatan laten di mana komponen masih berfungsi tetapi mengalami penurunan dan boleh gagal sebelum waktunya.
Produk perlu kukuh pada ESD untuk kebolehpercayaan yang tinggi. Mereka juga mesti mematuhi piawaian antarabangsa seperti IEC 61000-4-23 untuk membolehkan penjualan di semua wilayah di dunia. Rajah 2 menunjukkan bentuk gelombang ujian simulasi ESD yang ditentukan oleh IEC 61000-4-2 yang mana produk mesti dapat bertahan untuk mendapat sijil CE.
Gambar 2: Bentuk gelombang ujian ESD seperti yang dinyatakan dalam IEC 61000-4-2. (Sumber: Littelfuse, Inc.)
Terdapat pelbagai jenis produk yang tersedia untuk melindungi port komunikasi dari kerosakan ESD. Rajah 3 menunjukkan komponen perlindungan yang disyorkan untuk talian pada antara muka USB dengan kapasiti penghantaran kuasa hingga 100 W dan julat penghantaran kuasa yang dilanjutkan hingga 240 W. Komponen yang disyorkan bersifat sementara voltan diod penekan (TVS). Jadual 2 menerangkan teknologi komponen dan ciri dan faedah masing-masing.
Gambar 3: Gambarajah blok antara muka USB yang menunjukkan komponen yang disyorkan (Lihat Jadual 2) untuk perlindungan dari ESD. Klik untuk gambar yang lebih besar. (Littelfuse, Inc.)
Jadual 2: Teknologi perlindungan USB yang disyorkan (Sumber: Littelfuse, Inc.)
Untuk barisan USB 2.0, pertimbangkan untuk menggunakan dioda TVS searah SP3530 atau yang setara. Diod TVS ini dapat menyerap, tanpa degradasi, teguran ESD 22-kV, hampir 3 kali tahap 8-kV yang diperlukan oleh IEC 61000-4-2. Biasanya, kapasiti rendah 0.3 pF meminimumkan gangguan dengan peralihan isyarat. Komponen ini terdapat dalam pakej pelekap permukaan 0201 yang direka untuk menjimatkan ruang papan PC.
Garis SuperSpeed memerlukan komponen dengan kapasitansi serendah mungkin untuk tidak menurunkan transmisi data berkelajuan tinggi. Sebagai contoh, dioda TVS dua arah SP3213, dua dioda yang disambungkan anod-ke-anod memberikan perlindungan minimum untuk serangan ESD hingga 12 kV. Diod ini biasanya menghasilkan arus kebocoran 20 nA untuk meminimumkan penggunaan kuasa litar dan terdapat dalam pakej pemasangan permukaan µDFN-2 padat.
Untuk penggunaan jalur sisi (SBU) dan saluran saluran konfigurasi (CC), pertimbangkan dioda TVS unidirectional SP1006. Komponen ini dapat menyerap mogok ESD 30-kV dengan selamat dalam pakej µDFN-2. SP1006 adalah dioda TVS yang sangat kasar dan memenuhi syarat AEC-Q101 untuk digunakan dalam aplikasi automotif komunikasi USB.4
Vbas talian memerlukan dioda TVS yang dapat menahan tahap daya yang lebih tinggi daripada peranti perlindungan saluran isyarat. Dioda TVS 200H siri SPHV melindungi saluran Vbus dengan kapasiti 100 W. Diod SPHV tahan 30 kV dari serangan ESD dan memenuhi syarat AEC-Q101 dalam pakej pelekap permukaan. Untuk antara muka Extended Power Range, penyelesaian contohnya adalah dioda SMBJ. Ia mempunyai peringkat daya puncak yang lebih tinggi, 600 W, daripada dioda SPHV dan dapat menyerap serangan ESD setinggi 30 kV. Seperti diod TVS lain yang disyorkan untuk port USB, dioda SMBJ adalah komponen pemasangan permukaan.
Setiap dioda TVS berlainan berfungsi untuk fungsi yang diperlukan untuk melindungi sekumpulan garis tertentu dari ESD dan tidak mengganggu fungsi saluran. Memasukkan diod ini ke dalam litar akan mencegah kegagalan segera, kegagalan lembut, dan kegagalan pramatang pendam.
Disyorkan
Masalah besar dengan pengecasan pantas menggunakan kabel USB Type-C
Melindungi palam dan bekas USB Type-C daripada terlalu panas
Ketumpatan tinggi penyambung USB Type-C memungkinkan lebih banyak peluang untuk pencemaran dari kotoran dan habuk menyebabkan kerosakan resistif antara kuasa dan tanah. Digabungkan dengan kuasa yang lebih tinggi pada Vbas talian, penyambung USB mempunyai risiko pemanasan yang lebih besar, yang boleh merosakkan penyambung, kabel, dan elektronik port yang terpasang. Kenaikan suhu boleh mencairkan penyambung atau, dalam keadaan terburuk, menyalakan api.
Penyelesaian untuk mengelakkan terlalu panas ialah penunjuk suhu digital yang direka untuk mematuhi spesifikasi kabel dan penyambung USB Jenis-C. Penunjuk suhu meningkatkan rintangannya sekurang-kurangnya lima (5) dekad apabila ia mengesan suhu 100° C atau lebih tinggi. Komponen contoh teknologi dirujuk dalam artikel ini ialah penunjuk suhu digital setP unik daripada Littelfuse. Lengkung cirinya ditunjukkan dalam Rajah 4.
Gambar 4: Lengkungan rintangan vs suhu untuk penunjuk suhu menggunakan set Littelfuse sebagai contoh. Klik untuk gambar yang lebih besar. (Sumber: Littelfuse, Inc.)
Seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 3, penunjuk suhu diletakkan di garis saluran konfigurasi. Ia tidak diletakkan di Vbas talian supaya tidak menjatuhkan voltan atau daya dan tidak mengurangkan kapasiti penyampaian kuasa pada Vbas garis. Sekiranya komponen mengesan suhu mencapai 100 ° C, rintangannya meningkat dengan ketara. Protokol USB menafsirkan rintangan tinggi sebagai sambungan terbuka antara sambungan sumber, Vbas, dan sambungan sink, beban, dan Vbas talian dinyahaktifkan.
Apabila keadaan menyebabkan terlalu panas diperbaiki dan suhu sensor jatuh di bawah ambang 100 ° C, rintangannya ditetapkan semula ke nilai suhu rendah sekitar 10 Ω dan Vbas dihidupkan semula. Untuk hasil terbaik, penunjuk suhu harus dipasang ke dalam palam USB dan / atau wadah sehingga dapat memantau suhu penyambung pada punca kesalahan.
Tidak seperti peranti pekali suhu positif atau pemutus litar mini yang mesti ada di Vbas garis, penunjuk suhu digital tidak menggunakan kuasa dan mengurangkan kapasiti penghantaran kuasa. Selain itu, komponen lain terhad kepada 100 W dan kuasa yang lebih rendah yang akan menghalang penggunaannya dalam aplikasi USB Type-C julat kuasa yang diperluas.
Sensor suhu harus berukuran kecil sehingga memungkinkan pengesanan pada punca kerosakan. Ia juga dapat mengubah keadaan resistifnya secepat satu (1) saat untuk mengelakkan kerosakan pada kabel dan komponen elektronik. Rajah 5 menunjukkan bagaimana penunjuk suhu mengekalkan suhu permukaan penyambung yang selamat semasa kesalahan suhu berlebihan.
Perbandingan kenaikan suhu permukaan penyambung yang lebih rendah apabila penunjuk suhu (A Littelfuse setP) digunakan untuk perlindungan suhu berlebihan. Klik untuk gambar yang lebih besar. (Sumber: Littelfuse, Inc.)
Ringkasan
Tanpa perlindungan yang sewajarnya, ESD atau serpihan pada penyambung USB Type-C dapat menyebabkan kegagalan medan dalam elektronik pengguna yang berharga yang bergantung pada pengguna setiap hari. Jurutera elektronik boleh melindungi reka bentuk terbaru mereka dengan menggunakan dioda TVS untuk melindungi garis USB dari ESD dan penunjuk suhu digital untuk melindungi penyambung daripada terlalu panas. Oleh kerana peranti mudah alih menjadi lebih kecil dan lebih kompleks dan permintaan untuk pengecasan lebih cepat terus meningkat, para pereka menghadapi cabaran tambahan untuk mencari komponen pelindung permukaan yang lebih kecil untuk menampung ruang yang terhad dan meminimumkan harta tanah PCB yang diperlukan untuk meletakkan perlindungan yang diperlukan kaedah.
Memikirkan pertimbangan reka bentuk penting ini membantu mengelakkan masalah bagi pengguna akhir. Ini juga menyumbang kepada prestasi produk yang lebih mantap, jangka hayat produk yang lebih lama, dan kepuasan pengguna yang lebih tinggi.
Rujukan:
1Laman web Forum Pelaksana USB: Halaman Depan | USB-JIKA.
2Bas Bersiri Sejagat Jenis-C Spesifikasi Kabel dan Penyambung. Semakan 2.1. Mei 2021. Forum Pelaksana USB (USB-IF), Inc. Semakan Spesifikasi USB Jenis-C Kabel dan Penyambung 2.1 | USB-JIKA.
3IEC 61000-4-2Electromagnetic Compatibility (EMC) - Part 4-2: Teknik Pengujian dan Pengukuran I Uji Imuniti Pelepasan Elektrostatik. Suruhanjaya Elektroteknik Antarabangsa. Edisi 2.0 Disember 2008.
4Laman web Majlis Elektronik Automotif: AECMain (aecouncil.com).
Petunjuk Suhu Digital untuk Panduan Reka Bentuk & Pemasangan Kabel Jenis-C USB, Littelfuse, Inc., April 2019, dikemas kini pada September 2021
Mengenai Pengarang
mengenai Littelfuse