Os consumidores de hoje rapidamente se tornaram dependentes de dispositivos móveis que incorporam o padrão de interface de comunicação USB-C, ou USB-Type C - de smartphones e tablets a wearables e laptops. A porta USB também funciona como porta de carregamento rápido para a maioria desses dispositivos. Como resultado, projetar proteção robusta contra descarga eletrostática (ESD) e condições de superaquecimento nunca foi tão importante.
O USB-Implementers Forum (USB-IF) atualizou o padrão por meio de quatro revisões principais.1 Ele foi padronizado pela primeira vez em 1996 e tem evoluído com velocidades mais altas e permitindo maior capacidade de transporte de energia. O padrão USB começou com a versão 1.0 e progrediu até as versões 2.0 e 3.x, e atualmente está até a revisão 4, USB4. tabela 1 lista as versões de 2.0 a USB4 e mostra como o rendimento máximo de cada versão aumentou substancialmente.
Tabela 1. Evolução dos padrões USB mostrando aumentos nas taxas de transmissão de dados. (Fonte: Littelfuse, Inc.)
Para lidar com taxas de transmissão de dados mais altas e maior entrega de energia, o cabo USB Tipo C e o padrão de conector foram atualizados para a revisão 2.12 e o padrão USB-PD (fornecimento de energia) foi atualizado para a revisão 3.1. Figura 1 mostra o conector Tipo-C que pode implementar os conjuntos de recursos USB aprimorados. As revisões de PD permitem que os dispositivos sejam carregados e alimentados por meio da interface USB. A capacidade de potência máxima aumentou de 2.5 W (5 V @ 0.5 A) a 100 W (20 V a 5 A) para, atualmente, uma faixa de potência estendida de 240 W (48 V a 5 A). A maior capacidade de energia abrirá novos aplicativos de alimentação e carregamento para USB-C, como notebooks para jogos, docking stations, monitores 4K e computadores all-in-one.
Figura 1: Conectores USB Tipo-A e Tipo-C. O conector Tipo-C tem 24 pinos em comparação com os 4 pinos do conector Tipo-A. A distância do contato do sinal para o conector Tipo-C é de 0.5 mm. Clique para uma imagem maior. (Fonte: Littelfuse, Inc.)
Desafios para a confiabilidade do produto
Embora os padrões em evolução tenham melhorado as taxas de transmissão de dados e aumentado o poder de carregamento, os padrões não prescrevem diretamente métodos específicos para proteger a interface USB de perigos externos. Este artigo abordará métodos para eliminar a possibilidade de falha por ESD e condições de superaquecimento. Essas técnicas são essenciais para garantir um produto mais confiável e robusto.
Protegendo portas USB contra ESD
Eletrônico circuitos como portas USB que são expostos ao ambiente externo através de cabos e conectores são alvos potenciais para ESD. Os ataques ESD podem ocorrer através do contato direto de uma pessoa ou através do ar se uma fonte de energia for direcionada para um dispositivo eletrônico. o circuito. Os golpes de ESD podem ser de até 30 kV ou mais com tempos de subida rápidos e podem derreter silício e traços de condutor com correntes de até 30 A. ESD, com tanta energia, pode causar falha total de componentes.
Além disso, ataques ESD podem causar danos mais sutis. A corrente devido a ESD pode causar falhas leves, incluindo uma mudança de estado em um dispositivo lógico, travamento ou comportamento imprevisível. Isso pode levar à corrupção de um fluxo de dados. Os dados precisarão ser reenviados, o que diminui a taxa de transmissão de dados. No caso de uma falha de travamento, o sistema precisará ser reinicializado. A ESD também pode causar um defeito latente no qual um componente ainda funciona, mas está degradado e pode falhar prematuramente.
Os produtos precisam ser robustos para ESD para alta confiabilidade. Eles também devem estar em conformidade com os padrões internacionais, como IEC 61000-4-23 para permitir vendas em todas as regiões do mundo. Figura 2 mostra uma forma de onda de teste simulada ESD especificada pela IEC 61000-4-2 que um produto deve ser capaz de suportar para a certificação CE.
Figura 2: Forma de onda de teste ESD conforme especificado em IEC 61000-4-2. (Fonte: Littelfuse, Inc.)
Há uma ampla gama de produtos disponíveis para proteger as portas de comunicação de danos ESD. Figura 3 mostra os componentes de proteção recomendados para linhas em interfaces USB com capacidade de entrega de energia de até 100 W e faixa de entrega de energia estendida de até 240 W. Os componentes recomendados são transitórios Voltagem díodos supressores (TVS). tabela 2 descreve as tecnologias de componentes e seus respectivos recursos e benefícios.
Figura 3: Diagramas de blocos da interface USB mostrando os componentes recomendados (consulte a Tabela 2) para proteção contra ESD. Clique para uma imagem maior. (Littelfuse, Inc.)
Tabela 2: Tecnologias de proteção USB recomendadas (Fonte: Littelfuse, Inc.)
Para as linhas USB 2.0, considere o uso de um diodo TVS unidirecional SP3530 ou equivalente. Este diodo TVS pode absorver com segurança, sem degradação, um ataque ESD de 22 kV, quase 3 vezes o nível de 8 kV exigido pela IEC 61000-4-2. Normalmente, uma baixa capacitância de 0.3 pF minimiza a interferência com as transições do sinal. Este componente está disponível em um pacote de montagem em superfície 0201 projetado para economizar espaço na placa de PC.
As linhas SuperSpeed requerem um componente com a capacitância mais baixa possível para não degradar as transmissões de dados de alta velocidade. Por exemplo, os diodos TVS bidirecionais SP3213, dois diodos conectados anodo a anodo fornecem um mínimo de proteção para ataques ESD de até 12 kV. Esses diodos consomem normalmente 20 nA de corrente de fuga para minimizar o consumo de energia do circuito e estão em um pacote compacto de montagem em superfície µDFN-2.
Para o uso de banda lateral (SBU) e linhas de canal de configuração (CC), considere o diodo TVS unidirecional SP1006. Este componente pode absorver com segurança uma descarga de ESD de 30 kV em um pacote µDFN-2. O SP1006 é um diodo TVS muito robusto e é qualificado pela AEC-Q101 para uso em aplicações automotivas de comunicação USB.4
O Vônibus as linhas requerem diodos TVS que podem suportar um nível mais alto de energia do que os dispositivos de proteção de linha de sinal. A série SPHV de diodos TVS de 200 W protege uma linha Vbus com capacidade de 100 W. O diodo SPHV resiste a 30 kV de impactos ESD e é qualificado pela AEC-Q101 em um pacote de montagem em superfície. Para a interface Extended Power Range, uma solução de exemplo é o diodo SMBJ. Ele tem uma classificação de potência de pico mais alta, 600 W, do que os diodos SPHV e pode absorver impactos ESD de até 30 kV. Como os outros diodos TVS recomendados para portas USB, os diodos SMBJ são componentes de montagem em superfície.
Cada um dos diferentes diodos TVS desempenha uma função necessária para proteger um conjunto específico de linhas de ESD e não interfere na funcionalidade da linha. Incorporar esses diodos ao circuito evitará falhas imediatas, falhas leves e falhas latentes e prematuras.
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A alta densidade do conector USB Tipo C permite mais oportunidades de contaminação por sujeira e poeira para causar falhas resistivas entre a alimentação e o aterramento. Combinado com maior potência no Vônibus linha, o conector USB apresenta um risco maior de superaquecimento, o que pode danificar o conector, o cabo e os componentes eletrônicos da porta conectada. O aumento da temperatura pode derreter um conector ou, na pior das hipóteses, iniciar um incêndio.
A solução para evitar o superaquecimento é um indicador digital de temperatura projetado para ser compatível com as especificações do cabo e conector USB tipo C. O indicador de temperatura aumenta sua resistência em pelo menos cinco (5) décadas quando detecta uma temperatura de 100°C ou superior. O componente de exemplo tecnologia referenciado neste artigo é o indicador digital de temperatura setP exclusivo da Littelfuse. Sua curva característica é mostrada em Figura 4.
Figura 4: Curva de resistência versus temperatura para um indicador de temperatura usando Littelfuse setP como exemplo. Clique para uma imagem maior. (Fonte: Littelfuse, Inc.)
Como mostrado em Figura 3, o indicador de temperatura é colocado na linha do canal de configuração. Não é colocado no Vônibus linha de modo que não caia nenhuma tensão ou potência e não reduza a capacidade do fornecimento de energia no Vônibus linha. Se o componente detectar que a temperatura atinge 100 ° C, sua resistência aumenta substancialmente. O protocolo USB interpreta a alta resistência como uma conexão aberta entre a conexão da fonte, Vônibus, e a conexão do coletor, a carga e o Vônibus linha está desativada.
Quando a condição que causa o superaquecimento é corrigida e a temperatura do sensor cai abaixo do limite de 100 ° C, sua resistência é redefinida para seu valor de baixa temperatura de cerca de 10 Ω e Vônibus é reenergizado. Para obter os melhores resultados, o indicador de temperatura deve ser embutido em um plugue e / ou receptáculo USB para que possa monitorar a temperatura do conector na origem da falha.
Ao contrário de um dispositivo de coeficiente de temperatura positivo ou de um mini disjuntor que deve estar na Vônibus linha, um indicador digital de temperatura não consome energia e reduz a capacidade de entrega de energia. Além disso, esses outros componentes são limitados a 100 W e potência inferior, o que impediria seu uso na aplicação USB tipo C de faixa de potência estendida.
O sensor de temperatura deve ser pequeno para permitir a detecção na origem das falhas. Ele também deve ser capaz de alterar seu estado resistivo em até um (1) segundo para evitar danos ao cabo e aos componentes eletrônicos. Figura 5 mostra como um indicador de temperatura mantém uma temperatura segura da superfície do conector durante uma falha de superaquecimento.
Comparação do aumento mais baixo na temperatura da superfície do conector quando um indicador de temperatura (A Littelfuse setP) é usado para proteção contra superaquecimento. Clique para ampliá-la. (Fonte: Littelfuse, Inc.)
Sumário
Sem a proteção adequada, ESD ou detritos nos conectores USB Tipo C podem causar falhas em campo nos valiosos produtos eletrônicos dos quais os usuários dependem diariamente. Os engenheiros eletrônicos podem proteger seus projetos mais recentes usando diodos TVS para proteger as linhas USB de ESD e indicadores digitais de temperatura para proteger os conectores de superaquecimento. Conforme os dispositivos móveis se tornam menores e mais complexos e a demanda por um carregamento mais rápido continua a aumentar, os designers enfrentam o desafio adicional de encontrar componentes menores de proteção de montagem em superfície para acomodar o espaço limitado e minimizar o espaço de PCB necessário para colocar em prática a proteção necessária métodos.
Pensar bem sobre essas importantes considerações de design ajuda a evitar problemas para os usuários finais. Também contribui para um desempenho mais robusto do produto, uma vida útil mais longa do produto e maior satisfação do consumidor.
Referências:
1Site do Fórum de Implementadores de USB: Página inicial | USB-IF.
2Barramento Serial Universal Tipo-C Especificação de cabo e conector. Revisão 2.1. Maio de 2021. Fórum de implementadores de USB (USB-IF), Inc. Revisão 2.1 de especificações de conector e cabo USB tipo C | USB-IF.
3IEC 61000-4-2 Compatibilidade eletromagnética (EMC) - Parte 4-2: Técnicas de teste e medição I Teste de imunidade de descarga eletrostática. Comissão Eletrotécnica Internacional. Edição 2.0, dezembro de 2008.
4Site do Conselho de Eletrônica Automotiva: AECMain (aecouncil.com).
Indicadores digitais de temperatura para cabos USB tipo C Guia de design e instalação, Littelfuse, Inc., abril de 2019, atualizado em setembro de 2021
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