De consumenten van vandaag zijn snel afhankelijk geworden van mobiele apparaten die de USB-C- of USB-Type C-communicatie-interfacestandaard bevatten, van smartphones en tablets tot wearables en laptops. De USB-poort doet ook dienst als snellaadpoort voor de meeste van deze apparaten. Als gevolg hiervan is het ontwerpen van robuuste bescherming tegen elektrostatische ontlading (ESD) en oververhitting nog nooit zo belangrijk geweest.
Het USB-Implementers Forum (USB-IF) heeft de standaard geüpgraded door middel van vier grote revisies.1 Het werd voor het eerst gestandaardiseerd in 1996 en is geëvolueerd met hogere snelheden en meer vermogen. De USB-standaard begon met versie 1.0 en heeft zich ontwikkeld tot versie 2.0, 3.x-versies, en is momenteel tot revisie 4, USB4. Tabel 1 geeft de versies van 2.0 tot USB4 weer en laat zien hoe de maximale doorvoer van elke versie aanzienlijk is toegenomen.
Tabel 1. Evolutie van USB-standaarden die stijgingen in datatransmissiesnelheden laten zien. (Bron: Littelfuse, Inc.)
Om hogere datatransmissiesnelheden en hogere vermogensafgifte aan te kunnen, is de USB Type-C-kabel en -connectorstandaard bijgewerkt naar revisie 2.12 en de USB-PD-standaard (power delivery) is bijgewerkt naar revisie 3.1. Figuur 1 toont de Type-C-connector die de verbeterde USB-functiesets kan implementeren. Met de PD-revisies kunnen apparaten worden opgeladen en gevoed via de USB-interface. Het maximale vermogen is toegenomen van 2.5 W (5 V @0.5A) via 100 W (20 V @ 5A) tot op dit moment een uitgebreid vermogensbereik van 240 W (48 V @ 5A). De hogere stroomcapaciteit zal nieuwe voedings- en oplaadtoepassingen voor USB-C openen, zoals gaming-notebooks, dockingstations, 4K-monitoren en alles-in-één computers.
Afbeelding 1: USB Type-A- en Type-C-connectoren. De Type-C-connector heeft 24 pinnen in vergelijking met de 4-pins van de Type-A-connector. De signaalcontactafstand voor de Type-C-connector is 0.5 mm. Klik voor een grotere afbeelding. (Bron: Littelfuse, Inc.)
Uitdagingen voor productbetrouwbaarheid
Hoewel de evoluerende normen de datatransmissiesnelheden en het laadvermogen hebben verbeterd, schrijven de normen niet rechtstreeks specifieke methoden voor om de USB-interface te beschermen tegen externe gevaren. Dit artikel gaat in op methoden om de mogelijkheid van storingen door ESD en oververhitting te elimineren. Deze technieken zijn essentieel voor een betrouwbaarder en robuuster product.
USB-poorten beschermen tegen ESD
elektronisch circuits zoals USB-poorten die via kabels en connectoren worden blootgesteld aan de externe omgeving, zijn potentiële doelwitten voor ESD. ESD-aanvallen kunnen plaatsvinden door direct contact van een persoon of door de lucht als een energiebron overgaat naar een elektronische bron circuit. ESD-aanvallen kunnen oplopen tot 30 kV of meer met snelle stijgtijden en kunnen silicium- en geleidersporen doen smelten met stromen tot 30 A. ESD, met zoveel energie, kan totale uitval van componenten veroorzaken.
Bovendien kunnen ESD-aanvallen meer subtiele schade veroorzaken. Stroom als gevolg van ESD kan zachte storingen veroorzaken, waaronder een statusverandering in een logisch apparaat, vastlopen of onvoorspelbaar gedrag. Dit kan leiden tot een beschadiging van een datastroom. Gegevens moeten opnieuw worden verzonden, wat de gegevensoverdrachtsnelheid vertraagt. In het geval van een vergrendelingsfout, moet het systeem opnieuw worden opgestart. ESD kan ook een latent defect veroorzaken waarbij een onderdeel nog wel functioneert maar verslechtert en voortijdig kan uitvallen.
Producten moeten robuust zijn tegen ESD voor een hoge betrouwbaarheid. Ze moeten ook voldoen aan internationale normen zoals IEC 61000-4-23 om verkoop in alle regio's van de wereld mogelijk te maken. Figuur 2 toont een ESD-gesimuleerde testgolfvorm gespecificeerd door IEC 61000-4-2 die een product moet kunnen weerstaan voor CE-certificering.
Afbeelding 2: ESD-testgolfvorm zoals gespecificeerd in IEC 61000-4-2. (Bron: Littelfuse, Inc.)
Er is een breed scala aan producten beschikbaar om communicatiepoorten te beschermen tegen ESD-schade. Figuur 3 toont aanbevolen beschermingscomponenten voor lijnen op USB-interfaces met een vermogensafgiftecapaciteit tot 100 W en een uitgebreid vermogensafgiftebereik tot 240 W. De aanbevolen componenten zijn van voorbijgaande aard spanning ontstoringsdioden (TVS). Tabel 2 beschrijft de componenttechnologieën en hun respectieve kenmerken en voordelen.
Afbeelding 3: Blokdiagrammen van de USB-interface met aanbevolen componenten (zie tabel 2) voor bescherming tegen ESD. Klik voor een grotere afbeelding. (Littelfuse, Inc.)
Tabel 2: Aanbevolen USB-beveiligingstechnologieën (Bron: Littelfuse, Inc.)
Overweeg voor de USB 2.0-lijnen een SP3530 unidirectionele TVS-diode of gelijkwaardig te gebruiken. Deze TVS-diode kan veilig, zonder verslechtering, een 22 kV ESD-aanval absorberen, bijna 3 keer het 8 kV-niveau vereist door IEC 61000-4-2. Typisch minimaliseert een lage capaciteit van 0.3 pF interferentie met signaalovergangen. Dit onderdeel is verkrijgbaar in een 0201-pakket voor opbouwmontage, ontworpen om ruimte op de printplaat te besparen.
De SuperSpeed-lijnen vereisen een component met de laagst mogelijke capaciteit om de snelle gegevensoverdracht niet te verslechteren. Bijvoorbeeld, de SP3213 bidirectionele TVS-diodes, twee diodes die anode-aan-anode zijn aangesloten, bieden een minimale bescherming voor ESD-aanvallen tot 12 kV. Deze diodes trekken typisch 20 nA lekstroom om het stroomverbruik van het circuit te minimaliseren en bevinden zich in een compact µDFN-2 opbouwpakket.
Overweeg voor de zijbandgebruik (SBU) en configuratiekanaal (CC) lijnen de SP1006 unidirectionele TVS-diode. Dit onderdeel kan veilig een ESD-aanval van 30 kV absorberen in een µDFN-2-pakket. De SP1006 is een zeer robuuste TVS-diode en is AEC-Q101-gekwalificeerd voor gebruik in autotoepassingen van USB-communicatie.4
De Vbus lijnen vereisen TVS-diodes die een hoger vermogensniveau kunnen weerstaan dan de signaallijnbeveiligingsapparatuur. De SPHV-serie van 200 W TVS-diodes beschermt een Vbus-lijn met een vermogen van 100 W. De SPHV-diode is bestand tegen 30 kV van ESD-aanvallen en is AEC-Q101-gekwalificeerd in een opbouwpakket. Voor de Extended Power Range-interface is een voorbeeldoplossing de SMBJ-diode. Het heeft een hoger piekvermogen, 600 W, dan de SPHV-diodes en kan ESD-aanvallen tot 30 kV absorberen. Net als de andere aanbevolen TVS-diodes voor USB-poorten, zijn de SMBJ-diodes opbouwcomponenten.
Elk van de verschillende TVS-diodes heeft een functie die nodig is om een specifieke reeks lijnen te beschermen tegen ESD en interfereert niet met de functionaliteit van de lijn. Door deze diodes in het circuit op te nemen, worden onmiddellijke storingen, zachte storingen en latente, voortijdige storingen voorkomen.
Aanbevolen
Het grote probleem met snel opladen met USB Type-C-kabels
USB Type-C stekkers en stopcontacten beschermen tegen oververhitting
De hoge dichtheid van de USB Type-C-connector biedt meer kans op vervuiling door vuil en stof om weerstandsfouten tussen voeding en aarde te veroorzaken. Gecombineerd met een hoger vermogen op de Vbus lijn, heeft de USB-connector een groter risico op oververhitting, wat de connector, kabel en de aangesloten poortelektronica kan beschadigen. De temperatuurstijging kan een connector doen smelten of in het ergste geval brand veroorzaken.
De oplossing om oververhitting te voorkomen is een digitale temperatuurindicator die is ontworpen om te voldoen aan de USB Type-C-kabel- en connectorspecificaties. De temperatuurindicator verhoogt zijn weerstand met minstens vijf (5) decennia wanneer hij een temperatuur van 100° C of hoger detecteert. Het voorbeeldonderdeel technologie In dit artikel wordt verwezen naar de unieke setP digitale temperatuurindicator van Littelfuse. De karakteristieke curve wordt weergegeven in Figuur 4.
Figuur 4: Weerstand versus temperatuurcurve voor een temperatuurindicator met de Littelfuse setP als voorbeeld. Klik voor een grotere afbeelding. (Bron: Littelfuse, Inc.)
Zoals getoond in Figuur 3, wordt de temperatuurindicator in de configuratiekanaallijn geplaatst. Het is niet geplaatst in de Vbus lijn zodat deze geen spanning of vermogen laat vallen en de capaciteit van de vermogensafgifte op de V . niet vermindertbus lijn. Als het onderdeel een temperatuur van 100°C detecteert, neemt de weerstand aanzienlijk toe. Het USB-protocol interpreteert de hoge weerstand als een open verbinding tussen de bronverbinding, Vbus, en de gootsteenaansluiting, de belasting en de Vbus lijn is gedeactiveerd.
Wanneer de toestand die de oververhitting veroorzaakt is gecorrigeerd en de temperatuur van de sensor onder de drempel van 100°C daalt, wordt de weerstand teruggezet naar de lage temperatuurwaarde van ongeveer 10 Ω en Vbus wordt weer opgeladen. Voor de beste resultaten moet de temperatuurindicator worden ingebouwd in een USB-stekker en/of -contactdoos, zodat deze de connectortemperatuur bij de bron van de fout kan controleren.
In tegenstelling tot een apparaat met positieve temperatuurcoëfficiënt of een mini-stroomonderbreker die zich in de V . moet bevindenbus lijn, een digitale temperatuurindicator verbruikt geen stroom en vermindert de vermogensafgifte. Bovendien zijn deze andere componenten beperkt tot 100 W en een lager vermogen, wat hun gebruik in de USB Type-C-toepassing met een groter vermogensbereik zou verhinderen.
De temperatuursensor moet klein van formaat zijn om detectie bij de bron van storingen mogelijk te maken. Het moet ook in staat zijn om zijn resistieve toestand in slechts één (1) seconde te veranderen om schade aan de kabel en elektronische componenten te voorkomen. Figuur 5 laat zien hoe een temperatuurindicator een veilige connectoroppervlaktetemperatuur handhaaft tijdens een oververhittingsfout.
Vergelijking van de lagere stijging van de oppervlaktetemperatuur van de connector wanneer een temperatuurindicator (A Littelfuse setP) wordt gebruikt voor bescherming tegen oververhitting. Klik voor een grotere afbeelding. (Bron: Littelfuse, Inc.)
Samengevat
Zonder de juiste bescherming kunnen ESD of vuil in USB Type-C-connectoren veldstoringen veroorzaken in de waardevolle consumentenelektronica waarop gebruikers dagelijks vertrouwen. Elektronica-ingenieurs kunnen hun nieuwste ontwerpen beschermen door TVS-diodes te gebruiken om de USB-lijnen te beschermen tegen ESD en digitale temperatuurindicatoren om connectoren te beschermen tegen oververhitting. Naarmate mobiele apparaten kleiner en complexer worden en de vraag naar sneller opladen blijft toenemen, staan ontwerpers voor de extra uitdaging om kleinere beschermingscomponenten voor opbouwmontage te vinden om de beperkte ruimte te accommoderen en de PCB-ruimte die nodig is om de nodige bescherming te installeren, te minimaliseren methoden.
Vooruitdenken over deze belangrijke ontwerpoverwegingen helpt problemen voor de eindgebruikers te voorkomen. Het draagt ook bij aan robuustere productprestaties, een langere levensduur van het product en een grotere klanttevredenheid.
Referenties:
1Website van het USB-implementersforum: voorpagina | USB-IF.
2Universele seriële bus Type-C Kabel- en connectorspecificatie. Herziening 2.1. mei 2021. USB Implementers Forum (USB-IF), Inc. USB Type-C kabel en connectorspecificatie Revisie 2.1 | USB-IF.
3IEC 61000-4-2Elektromagnetische compatibiliteit (EMC) – Deel 4-2: Test- en meettechnieken I Immuniteitstest voor elektrostatische ontlading. Internationaal elektrotechnische Commissie. Editie 2.0 december 2008.
4Website Automotive Electronics Council: AECMain (aecouncil.com).
Digitale temperatuurindicatoren voor USB Type-C-kabels Ontwerp- en installatiehandleiding, Littelfuse, Inc., april 2019, bijgewerkt september 2021
Over de auteur
over Littelfuse