Günümüzün tüketicileri, akıllı telefonlardan tabletlere, giyilebilir cihazlara ve dizüstü bilgisayarlara kadar USB-C veya USB-Type C iletişim arayüzü standardını içeren mobil cihazlara hızla bağımlı hale geldi. USB bağlantı noktası aynı zamanda bu cihazların çoğu için hızlı şarj bağlantı noktası olarak da kullanılır. Sonuç olarak, elektrostatik boşalmaya (ESD) ve aşırı ısınma koşullarına karşı sağlam koruma tasarlamak hiç bu kadar önemli olmamıştı.
USB Uygulayıcıları Forumu (USB-IF), standardı dört ana revizyonla yükseltti.1 İlk olarak 1996 yılında standartlaştırıldı ve daha yüksek hızlarla gelişerek daha fazla güç taşıma kapasitesine olanak sağladı. USB standardı sürüm 1.0 ile başladı ve sürüm 2.0, 3.x sürümleri aracılığıyla ilerledi ve şu anda revizyon 4, USB4'e kadar ulaştı. Tablo 1 2.0'dan USB4'e kadar olan sürümleri listeler ve her sürümün maksimum veriminin nasıl önemli ölçüde arttığını gösterir.
Tablo 1. Veri iletim hızlarındaki artışları gösteren USB standartlarının gelişimi. (Kaynak: Littelfuse, Inc.)
Daha yüksek veri aktarım hızlarını ve daha yüksek güç dağıtımını gerçekleştirmek için USB Type-C kablo ve konektör standardı revizyon 2.1'e güncellendi.2 ve USB-PD (güç dağıtımı) standardı revizyon 3.1'e güncellendi. Şekil 1 gelişmiş USB özellik setlerini uygulayabilen Type-C konnektörünü gösterir. PD revizyonları, cihazların USB arayüzü üzerinden şarj edilmesine ve çalıştırılmasına olanak tanır. Maksimum güç kapasitesi 2.5 W'tan (5 V @ 0.5A) 100 W'a (20 V @ 5A) yükseltilmiş olup şu anda 240 W'lık (48 V @ 5A) genişletilmiş bir güç aralığına ulaşılmıştır. Daha yüksek güç kapasitesi, oyun dizüstü bilgisayarları, yerleştirme istasyonları, 4K monitörler ve hepsi bir arada bilgisayarlar gibi USB-C için yeni güç ve şarj uygulamalarının önünü açacak.
Şekil 1: USB Tip A ve Tip C konektörleri. Tip-C konnektörün, Tip-A konnektörün 24 pimine kıyasla 4 pimi vardır. Type-C konnektörün sinyal kontak aralığı 0.5 mm'dir. Daha büyük bir resim için tıklayın. (Kaynak: Littelfuse, Inc.)
Ürün güvenilirliğine ilişkin zorluklar
Gelişen standartlar, veri aktarım hızlarını iyileştirmiş ve şarj gücünü artırmış olsa da, standartlar, USB arayüzünü harici tehlikelerden korumak için doğrudan belirli yöntemler önermemektedir. Bu makalede ESD ve aşırı ısınma koşullarından kaynaklanan arıza olasılığını ortadan kaldıracak yöntemler ele alınacaktır. Bu teknikler daha güvenilir ve sağlam bir ürün sağlamak için gereklidir.
USB bağlantı noktalarını ESD'den koruma
Elektronik USB bağlantı noktaları gibi kablolar ve konektörler aracılığıyla dış ortama maruz kalan devreler ESD için potansiyel hedeflerdir. ESD çarpmaları, bir insanla doğrudan temas yoluyla veya bir enerji kaynağının elektronik bir cihaza ulaşması durumunda hava yoluyla gerçekleşebilir. devre. ESD darbeleri, hızlı yükselme süreleri ile 30 kV veya daha fazla olabilir ve 30 A'ya kadar akımlara sahip silikon ve iletken izlerini eritebilir. Bu kadar fazla enerjiye sahip ESD, bileşenlerin tamamen arızalanmasına neden olabilir.
Ayrıca ESD darbeleri daha hafif hasara neden olabilir. ESD'den kaynaklanan akım, bir mantık cihazında durum değişikliği, kilitleme veya öngörülemeyen davranış dahil olmak üzere yumuşak arızalara neden olabilir. Bu, veri akışının bozulmasına yol açabilir. Verilerin yeniden gönderilmesi gerekecek, bu da veri iletim hızını yavaşlatacaktır. Mandallama hatası durumunda sistemin yeniden başlatılması gerekecektir. ESD ayrıca bir bileşenin hala çalıştığı ancak bozulduğu ve zamanından önce arızalanabileceği gizli bir kusura da neden olabilir.
Yüksek güvenilirlik için ürünlerin ESD'ye dayanıklı olması gerekir. Ayrıca IEC 61000-4-2 gibi uluslararası standartlara da uygun olmaları gerekir.3 Dünyanın her bölgesinde satış yapılabilmesini sağlamak. Şekil 2 Bir ürünün CE sertifikası için dayanabilmesi gereken, IEC 61000-4-2 tarafından belirtilen ESD simülasyonlu test dalga formunu gösterir.
Şekil 2: IEC 61000-4-2'de belirtildiği gibi ESD test dalga formu.(Kaynak: Littelfuse, Inc.)
İletişim portlarını ESD hasarından korumak için geniş bir ürün yelpazesi mevcuttur. Şekil 3 100 W'a kadar güç dağıtım kapasitesine ve 240 W'a kadar genişletilmiş güç dağıtım aralığına sahip USB arayüzlerindeki hatlar için önerilen koruma bileşenlerini gösterir. Önerilen bileşenler geçicidir Voltaj baskılayıcı (TVS) diyotlar. Tablo 2 bileşen teknolojilerini ve bunların ilgili özelliklerini ve faydalarını açıklar.
Şekil 3: ESD'ye karşı koruma için önerilen bileşenleri (Bkz. Tablo 2) gösteren USB arabirim blok şemaları. Daha büyük bir resim için tıklayın. (Littelfuse, Inc.)
Tablo 2: Önerilen USB koruma teknolojileri (Kaynak: Littelfuse, Inc.)
USB 2.0 hatları için SP3530 tek yönlü TVS diyotu veya eşdeğerini kullanmayı düşünün. Bu TVS diyot, IEC 22-3-8'nin gerektirdiği 61000 kV seviyesinin neredeyse 4 katı olan 2 kV'luk bir ESD darbesini bozulma olmadan güvenli bir şekilde emebilir. Tipik olarak 0.3 pF'lik düşük kapasitans, sinyal geçişlerindeki paraziti en aza indirir. Bu bileşen, PC kartı alanından tasarruf etmek için tasarlanmış 0201 yüzeye montaj paketinde mevcuttur.
SuperSpeed hatları, yüksek hızlı veri iletimlerini bozmamak için mümkün olan en düşük kapasitansa sahip bir bileşen gerektirir. Örneğin, SP3213 çift yönlü TVS diyotları, anottan anoda bağlanan iki diyot, 12 kV'a kadar ESD darbeleri için minimum koruma sağlar. Bu diyotlar, devre güç tüketimini en aza indirmek için tipik olarak 20 nA kaçak akım çeker ve kompakt bir µDFN-2 yüzeye montaj paketinde bulunur.
Yan bant kullanımı (SBU) ve konfigürasyon kanalı (CC) hatları için SP1006 tek yönlü TVS diyotunu düşünün. Bu bileşen, µDFN-30 paketinde 2 kV'luk ESD darbesini güvenli bir şekilde absorbe edebilir. SP1006 çok dayanıklı bir TVS diyottur ve USB iletişiminin otomotiv uygulamalarında kullanım için AEC-Q101 onaylıdır.4
Votobüs hatlar, sinyal hattı koruma cihazlarından daha yüksek düzeyde güce dayanabilen TVS diyotlarına ihtiyaç duyar. 200 W TVS diyotlardan oluşan SPHV serisi, 100 W kapasiteli bir Vbus hattını korur. SPHV diyot, ESD darbelerine karşı 30 kV'a dayanıklıdır ve yüzeye montaj paketinde AEC-Q101 onaylıdır. Genişletilmiş Güç Aralığı arayüzü için örnek bir çözüm SMBJ diyottur. SPHV diyotlara göre 600 W gibi daha yüksek bir tepe güç değerine sahiptir ve 30 kV'a kadar ESD darbelerini absorbe edebilir. USB bağlantı noktaları için önerilen diğer TVS diyotları gibi, SMBJ diyotları da yüzeye monte bileşenlerdir.
Farklı TVS diyotlarının her biri, belirli bir hat grubunu ESD'den korumak için gerekli bir işlevi yerine getirir ve hattın işlevselliğini etkilemez. Bu diyotların devreye dahil edilmesi ani arızaları, geçici arızaları ve gizli, erken arızaları önleyecektir.
Tavsiye edilen
USB Type-C kablolarını kullanarak hızlı şarj etmenin en büyük sorunu
USB Type-C fişlerini ve prizlerini aşırı ısınmaya karşı koruma
USB Type-C konektörünün yüksek yoğunluğu, güç ve toprak arasında dirençli arızalara neden olacak şekilde kir ve tozdan kaynaklanan kirlenmeye daha fazla fırsat tanır. V'de daha yüksek güçle birleştirildiotobüs hat, USB konektörünün aşırı ısınma riski daha yüksektir ve bu durum konektöre, kabloya ve bağlı bağlantı noktası elektroniklerine zarar verebilir. Sıcaklık artışı konnektörü eritebilir veya en kötü durumda yangına neden olabilir.
Aşırı ısınmayı önlemenin çözümü, USB Type-C kablo ve konektör spesifikasyonlarıyla uyumlu olacak şekilde tasarlanmış bir dijital sıcaklık göstergesidir. Sıcaklık göstergesi, 5° C veya daha yüksek bir sıcaklık tespit ettiğinde direncini en az beş (100) on yıl artırır. Örnek bileşen teknoloji Bu makalede Littelfuse'un benzersiz setP dijital sıcaklık göstergesine atıfta bulunulmaktadır. Karakteristik eğrisi şu şekilde gösterilmiştir: Şekil 4.
Şekil 4: Örnek olarak Littelfuse setP'yi kullanan bir sıcaklık göstergesi için Direnç ve Sıcaklık eğrisi. Daha büyük bir resim için tıklayın. (Kaynak: Littelfuse, Inc.)
Gösterildiği gibi Şekil 3, sıcaklık göstergesi konfigürasyon kanal satırına yerleştirilir. V'ye yerleştirilmiyorotobüs hat herhangi bir voltajı veya gücü düşürmeyecek ve V üzerindeki güç dağıtım kapasitesini azaltmayacak şekildeotobüs astar. Bileşen sıcaklığın 100° C'ye ulaştığını tespit ederse direnci önemli ölçüde artar. USB protokolü, yüksek direnci kaynak bağlantısı V arasında açık bir bağlantı olarak yorumlar.otobüsve lavabo bağlantısı, yük ve Votobüs hat devre dışı bırakıldı.
Aşırı ısınmaya neden olan durum düzeltildiğinde ve cihazın sıcaklığı algılayıcı 100°C eşiğinin altına düşerse direnci 10 Ω ve V civarındaki düşük sıcaklık değerine sıfırlanır.otobüs yeniden enerji verilir. En iyi sonuçları elde etmek için, sıcaklık göstergesinin bir USB fişine ve/veya prizine yerleştirilmesi gerekir; böylece arızanın kaynağındaki konnektör sıcaklığını izleyebilir.
Pozitif sıcaklık katsayılı bir cihazdan veya V'de olması gereken bir mini devre kesiciden farklı olarakotobüs hat, dijital sıcaklık göstergesi güç tüketmez ve güç dağıtım kapasitesini azaltmaz. Ayrıca bu diğer bileşenlerin 100 W ve daha düşük güçle sınırlı olması, bunların genişletilmiş güç aralığı USB Type-C uygulamasında kullanılmasını engelleyecektir.
Sıcaklık sensörünün boyutu, arızaların kaynağında tespit edilebilmesi için küçük olmalıdır. Ayrıca kablonun ve elektronik bileşenlerin zarar görmesini önlemek için direnç durumunu bir (1) saniye kadar kısa bir sürede değiştirebilmelidir. Şekil 5 bir sıcaklık göstergesinin aşırı sıcaklık arızası sırasında güvenli konnektör yüzey sıcaklığını nasıl koruduğunu gösterir.
Aşırı sıcaklık koruması için bir sıcaklık göstergesi (A Littelfuse setP) kullanıldığında konnektör yüzey sıcaklığındaki daha düşük artışın karşılaştırılması. Resmin büyük hali için tıklayın.(Kaynak: Littelfuse, Inc.)
Özet
Uygun koruma olmadığında, USB Type-C konnektörlerindeki ESD veya kalıntılar, kullanıcıların günlük olarak güvendiği değerli tüketici elektroniklerinde saha arızalarına neden olabilir. Elektronik mühendisleri, USB hatlarını ESD'den korumak için TVS diyotlarını ve konektörleri aşırı ısınmadan korumak için dijital sıcaklık göstergelerini kullanarak en son tasarımlarını koruyabilirler. Mobil cihazlar küçülüp karmaşıklaştıkça ve daha hızlı şarj talebi artmaya devam ettikçe, tasarımcılar sınırlı alana uyum sağlamak ve gerekli korumayı sağlamak için gereken PCB alanını en aza indirmek için daha küçük yüzeye monte koruma bileşenleri bulma konusunda ek zorluklarla karşı karşıya kalıyor yöntemler.
Bu önemli tasarım hususlarının önceden düşünülmesi, son kullanıcılar için sorunların önlenmesine yardımcı olur. Aynı zamanda daha sağlam ürün performansına, daha uzun ürün ömrüne ve daha fazla tüketici memnuniyetine de katkıda bulunur.
Referanslar:
1USB Uygulayıcıları Forum web sitesi: Ön Sayfa | USB-IF.
2Evrensel Seri Veri Yolu Tip-C Kablo ve Konektör Özellikleri. Revizyon 2.1. Mayıs 2021. USB Uygulayıcıları Forumu (USB-IF), Inc. USB Type-C Kablo ve Konektör Spesifikasyonu Revizyon 2.1 | USB-IF.
3IEC 61000-4-2Elektromanyetik Uyumluluk (EMC) – Bölüm 4-2: Test ve Ölçüm Teknikleri I Elektrostatik Deşarj Bağışıklık Testi. Uluslararası Elektroteknik Komisyonu. Baskı 2.0 Aralık 2008.
4Otomotiv Elektroniği Konseyi web sitesi: AECMain (aecouncil.com).
USB Type-C Kablolar için Dijital Sıcaklık Göstergeleri Tasarım ve Kurulum Kılavuzu, Littelfuse, Inc., Nisan 2019, Eylül 2021'de güncellendi
Yazar hakkında
Littelfuse hakkında