ผู้บริโภคในปัจจุบันต้องพึ่งพาอุปกรณ์พกพาที่ใช้ USB-C หรือ USB-Type C ซึ่งเป็นมาตรฐานอินเทอร์เฟซการสื่อสารอย่างรวดเร็ว ตั้งแต่สมาร์ทโฟนและแท็บเล็ตไปจนถึงอุปกรณ์สวมใส่และแล็ปท็อป พอร์ต USB ยังเพิ่มเป็นสองเท่าของพอร์ตชาร์จเร็วสำหรับอุปกรณ์เหล่านี้ส่วนใหญ่เช่นกัน ด้วยเหตุนี้ การออกแบบการป้องกันการคายประจุไฟฟ้าสถิต (ESD) และสภาวะความร้อนสูงเกินไปจึงมีความสำคัญมากกว่าที่เคย
USB-Implementers Forum (USB-IF) ได้อัปเกรดมาตรฐานผ่านการแก้ไขหลักสี่ครั้ง1 ได้รับมาตรฐานเป็นครั้งแรกในปี พ.ศ. 1996 และมีการพัฒนาด้วยความเร็วที่สูงขึ้นและทำให้มีความจุในการบรรทุกพลังงานมากขึ้น มาตรฐาน USB เริ่มต้นด้วยเวอร์ชัน 1.0 และก้าวหน้าไปจนถึงเวอร์ชัน 2.0, เวอร์ชัน 3.x และขณะนี้อยู่ในเวอร์ชันแก้ไข 4, USB4 1 ตาราง แสดงรายการเวอร์ชันตั้งแต่ 2.0 ถึง USB4 และแสดงให้เห็นว่าปริมาณงานสูงสุดของแต่ละเวอร์ชันเพิ่มขึ้นอย่างมากเพียงใด
ตารางที่ 1. วิวัฒนาการของมาตรฐาน USB ที่แสดงอัตราการส่งข้อมูลที่เพิ่มขึ้น (ที่มา: Littelfuse, Inc.)
เพื่อรองรับอัตราการส่งข้อมูลที่สูงขึ้นและการจ่ายพลังงานที่สูงขึ้น สายเคเบิล USB Type-C และมาตรฐานตัวเชื่อมต่อได้รับการอัปเดตเป็นรุ่น 2.12 และมาตรฐาน USB-PD (การจ่ายพลังงาน) ได้รับการอัปเดตเป็นรุ่นแก้ไข 3.1 รูป 1 แสดงขั้วต่อ Type-C ซึ่งสามารถใช้ชุดคุณลักษณะ USB ที่ได้รับการปรับปรุง การแก้ไข PD ช่วยให้สามารถชาร์จอุปกรณ์และจ่ายไฟผ่านอินเทอร์เฟซ USB ได้ ความจุพลังงานสูงสุดเพิ่มขึ้นจาก 2.5 W (5 V @0.5A) เป็น 100 W (20 V @ 5A) เป็นช่วงกำลังขยาย 240 W (48 V @ 5A) ในปัจจุบัน ความจุพลังงานที่สูงขึ้นจะเป็นการเปิดแอปพลิเคชันสำหรับเปิดเครื่องและชาร์จใหม่สำหรับ USB-C เช่น โน้ตบุ๊กสำหรับเล่นเกม แท่นวาง จอภาพ 4K และคอมพิวเตอร์ออลอินวัน
รูปที่ 1: ขั้วต่อ USB Type-A และ Type-C ขั้วต่อ Type-C มี 24 พิน เมื่อเทียบกับขั้วต่อ 4 พินของ Type-A ระยะห่างของหน้าสัมผัสสัญญาณสำหรับขั้วต่อ Type-C คือ 0.5 มม. คลิกเพื่อดูภาพขนาดใหญ่ (ที่มา: Littelfuse, Inc.)
ความท้าทายต่อความน่าเชื่อถือของผลิตภัณฑ์
ในขณะที่มาตรฐานที่กำลังพัฒนาได้ปรับปรุงอัตราการส่งข้อมูลและเพิ่มกำลังการชาร์จ มาตรฐานไม่ได้กำหนดวิธีการเฉพาะโดยตรงในการปกป้องอินเทอร์เฟซ USB จากอันตรายภายนอก บทความนี้จะกล่าวถึงวิธีการขจัดความเป็นไปได้ที่จะเกิดความล้มเหลวจาก ESD และสภาวะความร้อนสูงเกินไป เทคนิคเหล่านี้จำเป็นสำหรับการรับรองผลิตภัณฑ์ที่เชื่อถือได้และแข็งแกร่งยิ่งขึ้น
การปกป้องพอร์ต USB จาก ESD
อิเล็กทรอนิกส์ วงจรไฟฟ้า เช่น พอร์ต USB ที่สัมผัสกับสภาพแวดล้อมภายนอกผ่านสายเคเบิลและขั้วต่อเป็นเป้าหมายที่เป็นไปได้สำหรับ ESD การโจมตีด้วย ESD สามารถเกิดขึ้นได้จากการสัมผัสโดยตรงจากบุคคลหรือทางอากาศ หากแหล่งพลังงานส่งไปยังอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ วงจรไฟฟ้า. การนัดหยุดงานของ ESD อาจสูงถึง 30 kV หรือมากกว่าด้วยเวลาที่เพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว และสามารถละลายซิลิคอนและร่องรอยของตัวนำด้วยกระแสสูงถึง 30 A ESD ด้วยพลังงานที่มากนี้ อาจทำให้ส่วนประกอบล้มเหลวโดยสิ้นเชิง
นอกจากนี้ การโจมตีด้วย ESD อาจทำให้เกิดความเสียหายเล็กน้อย กระแสไฟที่เกิดจาก ESD อาจทำให้เกิดความล้มเหลวที่นุ่มนวล รวมถึงการเปลี่ยนแปลงสถานะในอุปกรณ์ลอจิก การปิดระบบ หรือพฤติกรรมที่คาดเดาไม่ได้ สิ่งนี้สามารถนำไปสู่ความเสียหายของสตรีมข้อมูล ข้อมูลจะต้องถูกส่งใหม่ซึ่งจะทำให้อัตราการส่งข้อมูลช้าลง ในกรณีที่ล็อคอัพล้มเหลว ระบบจะต้องรีบูต ESD ยังสามารถทำให้เกิดข้อบกพร่องที่แฝงอยู่ซึ่งส่วนประกอบยังคงทำงานอยู่แต่ถูกลดระดับลงและอาจล้มเหลวก่อนเวลาอันควร
ผลิตภัณฑ์ต้องทนทานต่อ ESD เพื่อให้มีความน่าเชื่อถือสูง พวกเขายังต้องปฏิบัติตามมาตรฐานสากลเช่น IEC 61000-4-23 เพื่อให้สามารถขายได้ในทุกภูมิภาคของโลก รูป 2 แสดงรูปคลื่นทดสอบจำลอง ESD ที่ระบุโดย IEC 61000-4-2 ซึ่งผลิตภัณฑ์ต้องสามารถทนต่อการรับรอง CE
รูปที่ 2: รูปคลื่นทดสอบ ESD ตามที่ระบุใน IEC 61000-4-2 (ที่มา: Littelfuse, Inc.)
มีผลิตภัณฑ์มากมายให้เลือกเพื่อป้องกันพอร์ตการสื่อสารจากความเสียหายของ ESD รูป 3 แสดงส่วนประกอบการป้องกันที่แนะนำสำหรับสายไฟบนอินเทอร์เฟซ USB ที่มีกำลังส่งพลังงานสูงสุด 100 W และขยายช่วงการจ่ายพลังงานสูงสุด 240 W ส่วนประกอบที่แนะนำเป็นแบบชั่วคราว แรงดันไฟฟ้า ไดโอดต้าน (TVS) 2 ตาราง อธิบายเทคโนโลยีส่วนประกอบและคุณลักษณะและประโยชน์ที่เกี่ยวข้อง
รูปที่ 3: แผนภาพบล็อกอินเทอร์เฟซ USB แสดงส่วนประกอบที่แนะนำ (ดูตารางที่ 2) สำหรับการป้องกันจาก ESD คลิกเพื่อดูภาพขนาดใหญ่ (ลิตเตลฟิวส์ อิงค์)
ตารางที่ 2: เทคโนโลยีการป้องกัน USB ที่แนะนำ (ที่มา: Littelfuse, Inc.)
สำหรับสาย USB 2.0 ให้พิจารณาใช้ไดโอด TVS แบบทิศทางเดียว SP3530 หรือเทียบเท่า ไดโอด TVS นี้สามารถดูดซับได้อย่างปลอดภัยโดยไม่มีการลดลง การนัดหยุดงาน ESD 22-kV เกือบ 3 เท่าของระดับ 8-kV ที่ IEC 61000-4-2 ต้องการ โดยปกติ ความจุต่ำ 0.3 pF จะลดการรบกวนด้วยการเปลี่ยนสัญญาณ ส่วนประกอบนี้มีอยู่ในแพ็คเกจยึดพื้นผิว 0201 ที่ออกแบบมาเพื่อประหยัดพื้นที่บอร์ด PC
สาย SuperSpeed ต้องการส่วนประกอบที่มีความจุต่ำที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้เพื่อไม่ให้การส่งข้อมูลความเร็วสูงลดลง ตัวอย่างเช่น ไดโอด TVS แบบสองทิศทาง SP3213 ไดโอดสองตัวที่เชื่อมต่อแอโนดกับแอโนดให้การป้องกันขั้นต่ำสำหรับ ESD ที่นัดหยุดงานสูงสุด 12 kV โดยทั่วไปแล้วไดโอดเหล่านี้จะดึงกระแสไฟรั่ว 20 nA เพื่อลดการใช้พลังงานของวงจรและอยู่ในแพ็คเกจติดตั้งบนพื้นผิว µDFN-2 ขนาดกะทัดรัด
สำหรับเส้นการใช้งานด้านข้าง (SBU) และช่องสัญญาณการกำหนดค่า (CC) ให้พิจารณาไดโอด TVS แบบทิศทางเดียว SP1006 ส่วนประกอบนี้สามารถดูดซับ ESD 30-kV ได้อย่างปลอดภัยในแพ็คเกจ µDFN-2 SP1006 เป็นไดโอด TVS ที่ทนทานมาก และผ่านการรับรอง AEC-Q101 สำหรับการใช้งานในการสื่อสาร USB ในยานยนต์4
The Vรถบัส สายต้องใช้ไดโอด TVS ที่สามารถทนต่อระดับพลังงานที่สูงกว่าอุปกรณ์ป้องกันสายสัญญาณ ไดโอด TVS 200 W ซีรีส์ SPHV ปกป้องสาย Vbus ที่มีความจุ 100 W ไดโอด SPHV ทนทานต่อ ESD 30 kV และผ่านการรับรอง AEC-Q101 ในแพ็คเกจยึดพื้นผิว สำหรับอินเทอร์เฟซ Extended Power Range ตัวอย่างโซลูชันคือไดโอด SMBJ มีอัตรากำลังสูงสุดที่สูงกว่า 600 W เมื่อเทียบกับไดโอด SPHV และสามารถดูดซับ ESD ได้สูงถึง 30 kV เช่นเดียวกับไดโอด TVS ที่แนะนำอื่นๆ สำหรับพอร์ต USB ไดโอด SMBJ เป็นส่วนประกอบแบบยึดบนพื้นผิว
ไดโอด TVS แต่ละตัวมีฟังก์ชันที่จำเป็นในการป้องกันชุดสายเฉพาะจาก ESD และไม่รบกวนการทำงานของสาย การรวมไดโอดเหล่านี้เข้ากับวงจรจะป้องกันความล้มเหลวในทันที ความล้มเหลวที่นุ่มนวล และความล้มเหลวที่แฝงอยู่ก่อนเวลาอันควร
แนะนำ
ปัญหาใหญ่ของการชาร์จอย่างรวดเร็วโดยใช้สาย USB Type-C
ปกป้องปลั๊กและเต้ารับ USB Type-C จากความร้อนสูงเกินไป
ขั้วต่อ USB Type-C ที่มีความหนาแน่นสูงช่วยให้มีโอกาสเกิดการปนเปื้อนจากสิ่งสกปรกและฝุ่นละอองมากขึ้น ซึ่งจะทำให้เกิดการต้านทานไฟฟ้าขัดข้องระหว่างกำลังไฟฟ้าและกราวด์ ผสานกับพลังที่สูงกว่าบน Vรถบัส ขั้วต่อ USB มีความเสี่ยงที่จะเกิดความร้อนสูงเกินไป ซึ่งอาจทำให้ขั้วต่อ สายเคเบิล และอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ของพอร์ตที่เชื่อมต่อเสียหายได้ อุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นอาจทำให้คอนเนคเตอร์ละลายหรือในกรณีที่เลวร้ายที่สุดคือจุดไฟ
วิธีแก้ปัญหาในการป้องกันความร้อนสูงเกินไปคือตัวแสดงอุณหภูมิแบบดิจิทัลที่ออกแบบมาให้สอดคล้องกับข้อกำหนดเฉพาะของสายเคเบิล USB Type-C และตัวเชื่อมต่อ ตัวระบุอุณหภูมิจะเพิ่มความต้านทานอย่างน้อยห้า (5) ทศวรรษเมื่อตรวจพบอุณหภูมิ 100° C หรือมากกว่า ส่วนประกอบตัวอย่าง เทคโนโลยี การอ้างอิงในบทความนี้คือตัวบ่งชี้อุณหภูมิดิจิตอล setP ที่เป็นเอกลักษณ์จาก Littelfuse เส้นโค้งลักษณะเฉพาะจะแสดงอยู่ใน รูป 4.
รูปที่ 4: เส้นโค้งความต้านทานเทียบกับอุณหภูมิสำหรับตัวบ่งชี้อุณหภูมิโดยใช้ Littelfuse setP เป็นตัวอย่าง คลิกเพื่อดูภาพขนาดใหญ่ (ที่มา: Littelfuse, Inc.)
ดังที่แสดงไว้ รูป 3, ตัวบ่งชี้อุณหภูมิจะอยู่ในบรรทัดช่องการกำหนดค่า มันไม่ได้อยู่ในVรถบัส เพื่อไม่ให้แรงดันไฟตกหรือกำลังไฟตก และไม่ลดความสามารถในการจ่ายไฟของ Vรถบัส ไลน์. หากส่วนประกอบตรวจพบอุณหภูมิถึง 100° C ความต้านทานของส่วนประกอบจะเพิ่มขึ้นอย่างมาก โปรโตคอล USB ตีความความต้านทานสูงเป็นการเชื่อมต่อแบบเปิดระหว่างการเชื่อมต่อต้นทาง Vรถบัสและการเชื่อมต่ออ่างล้างจาน โหลด และ Vรถบัส สายถูกปิดใช้งาน
เมื่อสภาวะที่ก่อให้เกิดความร้อนสูงเกินไปได้รับการแก้ไขและอุณหภูมิของ เซ็นเซอร์ ต่ำกว่าเกณฑ์ 100°C ความต้านทานจะรีเซ็ตเป็นค่าอุณหภูมิต่ำที่ประมาณ 10 Ω และ Vรถบัส ถูกเติมพลังอีกครั้ง เพื่อผลลัพธ์ที่ดีที่สุด ตัวบ่งชี้อุณหภูมิควรติดตั้งไว้ในปลั๊ก USB และ/หรือเต้ารับ เพื่อให้สามารถตรวจสอบอุณหภูมิของตัวเชื่อมต่อที่ต้นทางของความผิดปกติได้
ต่างจากอุปกรณ์สัมประสิทธิ์อุณหภูมิบวกหรือตัวตัดวงจรขนาดเล็กที่ต้องอยู่ใน Vรถบัส ตัวบ่งชี้อุณหภูมิแบบดิจิตอลไม่กินไฟและลดความสามารถในการจ่ายไฟ นอกจากนี้ ส่วนประกอบอื่นๆ เหล่านี้ยังถูกจำกัดไว้ที่ 100 W และใช้พลังงานต่ำกว่า ซึ่งจะทำให้ใช้งานไม่ได้ในแอปพลิเคชัน USB Type-C ช่วงกำลังขยายเพิ่มเติม
เซ็นเซอร์อุณหภูมิควรมีขนาดเล็กเพื่อให้สามารถตรวจจับที่ต้นทางของความผิดปกติได้ นอกจากนี้ยังควรสามารถเปลี่ยนสถานะความต้านทานได้เร็วถึงหนึ่ง (1) วินาที เพื่อป้องกันความเสียหายต่อสายเคเบิลและส่วนประกอบอิเล็กทรอนิกส์ รูป 5 แสดงให้เห็นว่าตัวบ่งชี้อุณหภูมิรักษาอุณหภูมิพื้นผิวของตัวเชื่อมต่อที่ปลอดภัยได้อย่างไรในระหว่างที่อุณหภูมิสูงเกินไป
การเปรียบเทียบการเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิพื้นผิวตัวเชื่อมต่อที่ต่ำกว่าเมื่อใช้ตัวบ่งชี้อุณหภูมิ (A Littelfuse setP) สำหรับการป้องกันอุณหภูมิเกิน คลิกเพื่อดูภาพขนาดใหญ่ (ที่มา: Littelfuse, Inc.)
สรุป
หากไม่มีการป้องกันที่เหมาะสม ESD หรือเศษวัสดุในขั้วต่อ USB Type-C อาจทำให้เกิดความล้มเหลวในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สำหรับผู้บริโภคที่มีคุณค่าซึ่งผู้ใช้ต้องพึ่งพาเป็นประจำทุกวัน วิศวกรอิเล็กทรอนิกส์สามารถปกป้องการออกแบบล่าสุดของพวกเขาได้โดยใช้ไดโอด TVS เพื่อปกป้องสาย USB จาก ESD และตัวบ่งชี้อุณหภูมิแบบดิจิตอลเพื่อป้องกันขั้วต่อจากความร้อนสูงเกินไป เนื่องจากอุปกรณ์พกพามีขนาดเล็กลงและซับซ้อนมากขึ้น และความต้องการการชาร์จที่เร็วขึ้นยังคงเพิ่มขึ้น นักออกแบบต้องเผชิญกับความท้าทายเพิ่มเติมในการค้นหาส่วนประกอบป้องกันพื้นผิวที่มีขนาดเล็กลง เพื่อรองรับพื้นที่จำกัด และลดอสังหาริมทรัพย์ PCB ที่จำเป็นในการติดตั้งการป้องกันที่จำเป็น วิธีการ
การคิดล่วงหน้าเกี่ยวกับข้อควรพิจารณาในการออกแบบที่สำคัญเหล่านี้ช่วยป้องกันปัญหาสำหรับผู้ใช้ปลายทาง นอกจากนี้ยังช่วยให้ประสิทธิภาพของผลิตภัณฑ์แข็งแกร่งยิ่งขึ้น อายุการใช้งานของผลิตภัณฑ์ยาวนานขึ้น และความพึงพอใจของผู้บริโภคมากขึ้น
อ้างอิง:
1เว็บไซต์ฟอรั่ม USB-Implementers: Front Page | ยูเอสบี-IF
2ยูนิเวอร์แซลบัสอนุกรม Type-C ข้อกำหนดสายเคเบิลและขั้วต่อ. การแก้ไข 2.1. พฤษภาคม 2021. USB Implementers Forum (USB-IF), Inc. การแก้ไขข้อมูลจำเพาะเกี่ยวกับสายเคเบิลและตัวเชื่อมต่อ USB Type-C 2.1 | ยูเอสบี-IF
3IEC 61000-4-2 ความเข้ากันได้ทางแม่เหล็กไฟฟ้า (EMC) – ส่วนที่ 4-2: เทคนิคการทดสอบและการวัด I การทดสอบภูมิคุ้มกันการคายประจุไฟฟ้าสถิต คณะกรรมการไฟฟ้าระหว่างประเทศ ฉบับ 2.0 ธันวาคม 2008
4เว็บไซต์ Automotive Electronics Council: AECMain (aecouncil.com)
ตัวแสดงอุณหภูมิแบบดิจิตอลสำหรับสาย USB Type-C คู่มือการออกแบบและติดตั้ง, Littelfuse, Inc., เมษายน 2019, updated Sep. 2021
เกี่ยวกับผู้เขียน
เกี่ยวกับ Littelfuse