Сегодняшние потребители быстро стали зависимыми от мобильных устройств, поддерживающих стандарт интерфейса связи USB-C или USB-Type C - от смартфонов и планшетов до носимых устройств и ноутбуков. Порт USB также служит портом быстрой зарядки для большинства этих устройств. В результате разработка надежной защиты от электростатического разряда (ESD) и условий перегрева как никогда важна.
Форум разработчиков USB (USB-IF) обновил стандарт до четырех основных версий.1 Впервые он был стандартизирован в 1996 году и развивается с более высокими скоростями и большей грузоподъемностью. Стандарт USB начался с версии 1.0 и прошел через версии 2.0, версии 3.x и в настоящее время до версии 4, USB4. Таблица 1 перечисляет версии от 2.0 до USB4 и показывает, насколько существенно увеличилась максимальная пропускная способность каждой версии.
Таблица 1. Эволюция стандартов USB, показывающая увеличение скорости передачи данных. (Источник: Littelfuse, Inc.)
Чтобы обеспечить более высокую скорость передачи данных и более высокую мощность, стандарт кабеля и разъема USB Type-C был обновлен до версии 2.1.2 а стандарт USB-PD (подача питания) обновлен до версии 3.1. Рисунок 1 показывает разъем Type-C, который может реализовывать расширенные наборы функций USB. Версии PD позволяют заряжать устройства и получать питание через интерфейс USB. Максимальная мощность увеличилась с 2.5 Вт (5 В при 0.5 А) до 100 Вт (20 В при 5 А) до в настоящее время расширенного диапазона мощности до 240 Вт (48 В при 5 А). Более высокая мощность откроет новые приложения для питания и зарядки USB-C, такие как игровые ноутбуки, док-станции, мониторы 4K и моноблоки.
Рисунок 1: Разъемы USB Type-A и Type-C. Разъем Type-C имеет 24 контакта по сравнению с 4 контактами разъема Type-A. Шаг сигнальных контактов для разъема Type-C составляет 0.5 мм. Щелкните, чтобы увеличить изображение. (Источник: Littelfuse, Inc.)
Проблемы надежности продукции
В то время как развивающиеся стандарты улучшили скорость передачи данных и увеличили мощность зарядки, стандарты прямо не предписывают конкретных методов защиты интерфейса USB от внешних опасностей. В этой статье будут рассмотрены методы устранения возможности отказа из-за электростатического разряда и перегрева. Эти методы необходимы для создания более надежного и прочного продукта.
Защита USB-портов от электростатического разряда
Электронный электрические схемы, такие как порты USB, которые подвергаются воздействию внешней среды через кабели и разъемы, являются потенциальными объектами электростатического разряда. Удары электростатического разряда могут произойти в результате прямого контакта с человеком или через воздух, если источник энергии образует дугу на электронном устройстве. схема. Разряды электростатического разряда могут достигать 30 кВ или более с малым временем нарастания и могут расплавить кремний и проводники с токами до 30 А. Электростатический разряд с такой большой энергией может вызвать полный отказ компонентов.
Кроме того, разряды электростатического разряда могут нанести более незначительный ущерб. Ток из-за электростатического разряда может вызвать мягкие отказы, включая изменение состояния логического устройства, фиксацию или непредсказуемое поведение. Это может привести к повреждению потока данных. Данные необходимо будет отправить повторно, что замедлит скорость передачи данных. В случае сбоя фиксации системе потребуется перезагрузка. Электростатический разряд также может вызвать скрытый дефект, при котором компонент все еще функционирует, но выходит из строя и может преждевременно выйти из строя.
Для обеспечения высокой надежности изделия должны быть устойчивы к электростатическому разряду. Они также должны соответствовать международным стандартам, таким как IEC 61000-4-2.3 для обеспечения продаж во всех регионах мира. Рисунок 2 показывает форму испытательного сигнала, смоделированного электростатическим разрядом, согласно IEC 61000-4-2, которую продукт должен выдерживать для сертификации CE.
Рисунок 2: Форма сигнала испытания ESD, как указано в IEC 61000-4-2. (Источник: Littelfuse, Inc.)
Доступен широкий спектр продуктов для защиты коммуникационных портов от повреждения электростатическим разрядом. Рисунок 3 показаны рекомендуемые компоненты защиты для линий на USB-интерфейсах с мощностью передаваемой мощности до 100 Вт и расширенным диапазоном мощности до 240 Вт. Рекомендуемые компоненты являются переходными. напряжение супрессорные (TVS) диоды. Таблица 2 описывает компонентные технологии и их соответствующие особенности и преимущества.
Рисунок 3: Блок-схемы интерфейса USB, показывающие рекомендуемые компоненты (см. Таблицу 2) для защиты от электростатического разряда. Щелкните, чтобы увеличить изображение. (Littelfuse, Inc.)
Таблица 2: Рекомендуемые технологии защиты USB (Источник: Littelfuse, Inc.)
Для линий USB 2.0 рассмотрите возможность использования однонаправленного TVS-диода SP3530 или аналогичного. Этот TVS-диод может безопасно поглощать, без ухудшения характеристик, воздействие электростатического разряда 22 кВ, что почти в 3 раза превышает уровень 8 кВ, требуемый IEC 61000-4-2. Обычно низкая емкость 0.3 пФ сводит к минимуму помехи при переходах сигналов. Этот компонент доступен в корпусе 0201 для поверхностного монтажа, предназначенном для экономии места на печатной плате.
Для линий SuperSpeed требуется компонент с минимально возможной емкостью, чтобы не ухудшать высокоскоростную передачу данных. Например, двунаправленные TVS-диоды SP3213, два диода, соединенные анод-анод, обеспечивают минимальную защиту от электростатических разрядов напряжением до 12 кВ. Эти диоды обычно потребляют ток утечки 20 нА, чтобы минимизировать энергопотребление схемы, и находятся в компактном корпусе µDFN-2 для поверхностного монтажа.
Для линий использования боковой полосы (SBU) и канала конфигурации (CC) рассмотрите однонаправленный TVS-диод SP1006. Этот компонент может безопасно поглощать 30-кВ электростатический разряд в корпусе µDFN-2. SP1006 - это очень прочный TVS-диод, соответствующий стандарту AEC-Q101 для использования в автомобильных приложениях связи USB.4
Vавтобус Для линий требуются TVS-диоды, которые могут выдерживать более высокий уровень мощности, чем устройства защиты сигнальных линий. Серия SPHV из 200 Вт TVS-диодов защищает линию Vbus мощностью 100 Вт. Диод SPHV выдерживает 30 кВ от электростатических разрядов и соответствует требованиям AEC-Q101 в корпусе для поверхностного монтажа. Для интерфейса с расширенным диапазоном мощности примером решения является диод SMBJ. Он имеет более высокую пиковую мощность, 600 Вт, чем диоды SPHV, и может поглощать удары электростатического разряда до 30 кВ. Как и другие рекомендуемые TVS-диоды для USB-портов, SMBJ-диоды предназначены для поверхностного монтажа.
Каждый из различных диодов TVS выполняет функцию, необходимую для защиты определенного набора линий от электростатического разряда, и не влияет на функциональность линии. Включение этих диодов в схему предотвратит немедленные отказы, мягкие отказы и скрытые, преждевременные отказы.
Рекомендованные
Большая проблема с быстрой зарядкой с помощью кабелей USB Type-C
Защита вилок и розеток USB Type-C от перегрева
Высокая плотность разъема USB Type-C дает больше возможностей для загрязнения из-за грязи и пыли, вызывающих резистивные замыкания между питанием и землей. В сочетании с более высокой мощностью на Vавтобус линии, разъем USB имеет больший риск перегрева, что может привести к повреждению разъема, кабеля и подключенных электронных устройств порта. Повышение температуры может привести к расплавлению разъема или, в худшем случае, к возгоранию.
Решением для предотвращения перегрева является цифровой индикатор температуры, соответствующий спецификациям кабеля и разъема USB Type-C. Индикатор температуры увеличивает свое сопротивление как минимум на пять (5) десятилетий, когда обнаруживает температуру 100°C или выше. Пример компонента technology В этой статье упоминается уникальный цифровой индикатор температуры setP от Littelfuse. Его характеристическая кривая показана на Рисунок 4.
Рисунок 4: Кривая зависимости сопротивления от температуры для индикатора температуры на примере Littelfuse setP. Щелкните, чтобы увеличить изображение. (Источник: Littelfuse, Inc.)
Как показано в Рисунок 3, индикатор температуры помещается в строку канала конфигурации. Он не помещается в Vавтобус линии, чтобы не падать напряжение или мощность и не уменьшать мощность подачи питания на Vавтобус линия. Если компонент обнаруживает, что температура достигает 100 ° C, его сопротивление значительно увеличивается. Протокол USB интерпретирует высокое сопротивление как открытое соединение между исходным соединением, Vавтобус, а также соединение с раковиной, нагрузка и Vавтобус линия деактивирована.
Когда устранена причина перегрева и температура датчик падает ниже порога 100 ° C, его сопротивление сбрасывается до низкотемпературного значения около 10 Ом и Vавтобус снова под напряжением. Для достижения наилучших результатов индикатор температуры должен быть встроен в USB-штекер и / или розетку, чтобы он мог контролировать температуру разъема в источнике неисправности.
В отличие от устройства с положительным температурным коэффициентом или мини-выключателя, который должен быть в Vавтобус линии цифровой индикатор температуры не потребляет электроэнергию и снижает мощность передачи. Кроме того, мощность этих других компонентов ограничена 100 Вт и ниже, что не позволяет использовать их в приложении USB Type-C с расширенным диапазоном мощности.
Датчик температуры должен быть небольшого размера, чтобы он мог обнаруживать источник неисправности. Он также должен иметь возможность изменять свое резистивное состояние всего за одну (1) секунду, чтобы предотвратить повреждение кабеля и электронных компонентов. Рисунок 5 показывает, как индикатор температуры поддерживает безопасную температуру поверхности разъема во время неисправности из-за перегрева.
Сравнение более низкого повышения температуры поверхности разъема, когда индикатор температуры (A Littelfuse setP) используется для защиты от перегрева. Щелкните, чтобы увеличить изображение. (Источник: Littelfuse, Inc.)
Обзор
Без надлежащей защиты электростатический разряд или мусор в разъемах USB Type-C могут вызвать сбои в работе ценной бытовой электроники, на которую пользователи полагаются ежедневно. Инженеры-электронщики могут защитить свои новейшие разработки, используя TVS-диоды для защиты USB-линий от электростатического разряда и цифровые индикаторы температуры для защиты разъемов от перегрева. По мере того, как мобильные устройства становятся все меньше и сложнее, а потребность в более быстрой зарядке продолжает расти, перед разработчиками встает дополнительная задача - найти меньшие компоненты защиты для поверхностного монтажа, чтобы приспособить ограниченное пространство и минимизировать площадь печатной платы, необходимую для установки необходимой защиты. методы.
Обдумывание этих важных аспектов проектирования помогает предотвратить проблемы для конечных пользователей. Это также способствует более надежным характеристикам продукта, более длительному сроку службы продукта и большему удовлетворению запросов потребителей.
Ссылки:
1Веб-сайт форума разработчиков USB: Первая страница | USB-IF.
2Универсальная последовательная шина типа C Спецификация кабеля и разъема. Версия 2.1. Май 2021 г.. Форум разработчиков USB (USB-IF), Inc. Спецификация кабеля и разъема USB Type-C Версия 2.1 | USB-IF.
3IEC 61000-4-2 Электромагнитная совместимость (ЭМС) - Часть 4-2: Методы испытаний и измерений I Испытание на устойчивость к электростатическому разряду. Международная электротехническая комиссия. Выпуск 2.0, декабрь 2008 г.
4Веб-сайт Совета по автомобильной электронике: AECMain (aecouncil.com).
Цифровые индикаторы температуры для кабелей USB Type-C Руководство по проектированию и установке, Littelfuse, Inc., апрель 2019 г., обновлено: сентябрь 2021 г.
Об авторе
о Литтельфузе