Người tiêu dùng ngày nay nhanh chóng trở nên phụ thuộc vào các thiết bị di động tích hợp chuẩn giao tiếp USB-C hoặc USB-Type C — từ điện thoại thông minh và máy tính bảng đến thiết bị đeo được và máy tính xách tay. Cổng USB cũng đóng vai trò là cổng sạc nhanh cho hầu hết các thiết bị này. Do đó, việc thiết kế lớp bảo vệ chắc chắn chống lại hiện tượng phóng tĩnh điện (ESD) và các điều kiện quá nhiệt chưa bao giờ quan trọng hơn thế.
Diễn đàn Người triển khai USB (USB-IF) đã nâng cấp tiêu chuẩn thông qua bốn bản sửa đổi chính.1 Nó được tiêu chuẩn hóa lần đầu tiên vào năm 1996 và ngày càng phát triển với tốc độ cao hơn và cho phép nhiều khả năng mang điện hơn. Chuẩn USB bắt đầu với phiên bản 1.0 và đã phát triển qua các phiên bản 2.0, 3.x và hiện đang cập nhật bản sửa đổi 4, USB4. Bảng 1 liệt kê các phiên bản từ 2.0 đến USB4 và cho biết thông lượng tối đa của mỗi phiên bản đã tăng lên đáng kể như thế nào.
Bảng 1. Sự phát triển của các tiêu chuẩn USB cho thấy tốc độ truyền dữ liệu tăng lên. (Nguồn: Littelfuse, Inc.)
Để xử lý tốc độ truyền dữ liệu cao hơn và phân phối điện năng cao hơn, tiêu chuẩn đầu nối và cáp USB Type-C đã được cập nhật lên bản sửa đổi 2.12 và tiêu chuẩn USB-PD (phân phối điện) đã được cập nhật lên bản sửa đổi 3.1. Hình 1 hiển thị đầu nối Type-C có thể triển khai các bộ tính năng USB nâng cao. Các bản sửa đổi PD cho phép các thiết bị được sạc và cấp nguồn thông qua giao diện USB. Công suất nguồn tối đa đã tăng từ 2.5 W (5 V @ 0.5A) đến 100 W (20 V @ 5A), hiện tại, dải công suất mở rộng là 240 W (48 V @ 5A). Công suất nguồn cao hơn sẽ mở ra các ứng dụng cấp nguồn và sạc mới cho USB-C như máy tính xách tay chơi game, đế cắm, màn hình 4K và máy tính tất cả trong một.
Hình 1: Đầu nối USB Type-A và Type-C. Đầu nối Type-C có 24 chân so với 4 chân của đầu nối Type-A. Cao độ tiếp điểm tín hiệu cho đầu nối Type-C là 0.5 mm. Click để xem ảnh rõ hơn. (Nguồn: Littelfuse, Inc.)
Những thách thức đối với độ tin cậy của sản phẩm
Mặc dù các tiêu chuẩn đang phát triển đã cải thiện tốc độ truyền dữ liệu và tăng cường năng lượng sạc, nhưng các tiêu chuẩn này không quy định trực tiếp các phương pháp cụ thể để bảo vệ giao diện USB khỏi các mối nguy hiểm bên ngoài. Bài viết này sẽ đề cập đến các phương pháp để loại bỏ khả năng hỏng hóc do ESD và các tình trạng quá nhiệt. Những kỹ thuật này là cần thiết để đảm bảo một sản phẩm đáng tin cậy và mạnh mẽ hơn.
Bảo vệ cổng USB khỏi ESD
điện tử Các mạch điện như cổng USB tiếp xúc với môi trường bên ngoài thông qua cáp và đầu nối là mục tiêu tiềm năng của ESD. Sự tấn công của ESD có thể xảy ra thông qua tiếp xúc trực tiếp từ con người hoặc qua không khí nếu một nguồn năng lượng phóng điện tới một thiết bị điện tử. mạch. Dòng điện ESD có thể lên đến 30 kV hoặc hơn với thời gian tăng nhanh và có thể làm chảy các vết silicon và dây dẫn với dòng điện lên đến 30 A. ESD, với mức năng lượng lớn này, có thể gây ra hỏng hóc toàn bộ cho các bộ phận.
Ngoài ra, các đòn tấn công bằng ESD có thể gây ra nhiều thiệt hại nhỏ hơn. Dòng điện do ESD có thể gây ra lỗi mềm bao gồm sự thay đổi trạng thái trong thiết bị logic, lỗi chốt hoặc hành vi không thể đoán trước. Điều này có thể dẫn đến một luồng dữ liệu bị hỏng. Dữ liệu sẽ cần được gửi lại, điều này làm chậm tốc độ truyền dữ liệu. Trong trường hợp lỗi chốt, hệ thống sẽ cần khởi động lại. ESD cũng có thể gây ra một khiếm khuyết tiềm ẩn trong đó một thành phần vẫn hoạt động nhưng bị xuống cấp và có thể hỏng sớm.
Các sản phẩm cần phải chắc chắn với ESD để có độ tin cậy cao. Chúng cũng phải tuân thủ các tiêu chuẩn quốc tế như IEC 61000-4-23 để cho phép bán hàng ở tất cả các khu vực trên thế giới. Hình 2 cho thấy dạng sóng thử nghiệm mô phỏng ESD được quy định bởi IEC 61000-4-2 mà một sản phẩm phải có khả năng chịu được chứng nhận CE.
Hình 2: Dạng sóng thử nghiệm ESD theo quy định trong IEC 61000-4-2. (Nguồn: Littelfuse, Inc.)
Có nhiều loại sản phẩm có sẵn để bảo vệ các cổng giao tiếp khỏi bị hư hỏng ESD. Hình 3 hiển thị các thành phần bảo vệ được khuyến nghị cho các đường dây trên giao diện USB có công suất phân phối điện lên đến 100 W và phạm vi phân phối điện mở rộng lên đến 240 W. Các thành phần được đề xuất là tạm thời Vôn điốt bộ triệt tiêu (TVS). Bảng 2 mô tả các công nghệ thành phần và các tính năng và lợi ích tương ứng của chúng.
Hình 3: Sơ đồ khối giao diện USB hiển thị các thành phần được khuyến nghị (Xem Bảng 2) để bảo vệ khỏi ESD. Click để xem ảnh rõ hơn. (Littelfuse, Inc.)
Bảng 2: Các công nghệ bảo vệ USB được đề xuất (Nguồn: Littelfuse, Inc.)
Đối với dòng USB 2.0, hãy cân nhắc sử dụng điốt TVS một chiều SP3530 hoặc loại tương đương. Đi-ốt TVS này có thể hấp thụ một cách an toàn, không bị suy giảm dòng điện áp ESD 22 kV, gần gấp 3 lần mức 8 kV theo yêu cầu của IEC 61000-4-2. Thông thường, điện dung thấp 0.3 pF giảm thiểu nhiễu với quá trình chuyển đổi tín hiệu. Thành phần này có sẵn trong gói giá đỡ bề mặt 0201 được thiết kế để tiết kiệm không gian bo mạch PC.
Các dòng SuperSpeed yêu cầu một thành phần có điện dung thấp nhất có thể để không làm suy giảm việc truyền dữ liệu tốc độ cao. Ví dụ, điốt TVS hai chiều SP3213, hai điốt được kết nối từ cực dương sang cực dương cung cấp mức bảo vệ tối thiểu cho các cuộc tấn công ESD lên đến 12 kV. Các điốt này thường tạo ra dòng điện rò 20 nA để giảm thiểu mức tiêu thụ điện của mạch và nằm trong một gói gắn bề mặt µDFN-2 nhỏ gọn.
Đối với dòng sử dụng dải biên (SBU) và kênh cấu hình (CC), hãy xem xét điốt TVS một chiều SP1006. Thành phần này có thể hấp thụ một cách an toàn dòng điện ESD 30 kV trong gói µDFN-2. SP1006 là một diode TVS rất chắc chắn và đạt tiêu chuẩn AEC-Q101 để sử dụng trong các ứng dụng ô tô của giao tiếp USB.4
Chữ Vxe buýt đường dây yêu cầu điốt TVS có thể chịu được mức công suất cao hơn thiết bị bảo vệ đường dây tín hiệu. Dòng SPHV gồm 200 W điốt TVS bảo vệ đường dây Vbus có công suất 100 W. Diode SPHV chịu được 30 kV từ các cuộc tấn công ESD và đạt tiêu chuẩn AEC-Q101 trong một gói lắp trên bề mặt. Đối với giao diện Phạm vi công suất mở rộng, một giải pháp ví dụ là diode SMBJ. Nó có định mức công suất đỉnh cao hơn, 600 W, so với điốt SPHV và có thể hấp thụ các cú đánh ESD cao tới 30 kV. Giống như các điốt TVS được đề xuất khác cho cổng USB, điốt SMBJ là các thành phần gắn trên bề mặt.
Mỗi điốt TVS khác nhau phục vụ một chức năng cần thiết để bảo vệ một tập hợp đường cụ thể khỏi ESD và không can thiệp vào chức năng của đường dây. Việc kết hợp các điốt này vào mạch điện sẽ ngăn ngừa các hỏng hóc ngay lập tức, hỏng hóc mềm và hỏng hóc tiềm ẩn, sớm.
Đề xuất
Vấn đề lớn với việc sạc nhanh bằng cáp USB Type-C
Bảo vệ phích cắm và ổ cắm USB Type-C khỏi quá nhiệt
Mật độ cao của đầu nối USB Type-C cho phép nhiều cơ hội nhiễm bẩn từ bụi bẩn hơn gây ra lỗi điện trở giữa nguồn và đất. Kết hợp với công suất cao hơn trên Vxe buýt , đầu nối USB có nguy cơ quá nóng cao hơn, có thể làm hỏng đầu nối, cáp và thiết bị điện tử của cổng đi kèm. Sự gia tăng nhiệt độ có thể làm chảy một đầu nối hoặc trong trường hợp xấu nhất có thể gây ra hỏa hoạn.
Giải pháp ngăn ngừa quá nhiệt là chỉ báo nhiệt độ kỹ thuật số được thiết kế tuân thủ các thông số kỹ thuật của cáp và đầu nối USB Type-C. Bộ chỉ báo nhiệt độ tăng điện trở lên ít nhất năm (5) thập kỷ khi phát hiện nhiệt độ từ 100° C trở lên. Thành phần ví dụ công nghệ Được đề cập trong bài viết này là bộ chỉ báo nhiệt độ kỹ thuật số setP độc đáo của Littelfuse. Đường cong đặc trưng của nó được thể hiện ở Hình 4.
Hình 4: Đường cong điện trở và nhiệt độ cho một chỉ báo nhiệt độ bằng cách sử dụng bộ Littelfuse làm ví dụ. Click để xem ảnh rõ hơn. (Nguồn: Littelfuse, Inc.)
Như được hiển thị trong Hình 3, chỉ báo nhiệt độ được đặt trong dòng kênh cấu hình. Nó không được đặt trong chữ Vxe buýt dòng sao cho nó không bị giảm bất kỳ điện áp hoặc công suất nào và không làm giảm khả năng cung cấp điện trên Vxe buýt hàng. Nếu linh kiện phát hiện nhiệt độ đạt 100 ° C, thì điện trở của nó sẽ tăng lên đáng kể. Giao thức USB diễn giải điện trở cao là kết nối mở giữa kết nối nguồn, Vxe buýtvà kết nối bồn rửa, tải và Vxe buýt dòng bị hủy kích hoạt.
Khi điều kiện gây ra quá nhiệt được khắc phục và nhiệt độ của cảm biến giảm xuống dưới ngưỡng 100 ° C, điện trở của nó đặt lại về giá trị nhiệt độ thấp khoảng 10 Ω và Vxe buýt được tái cung cấp năng lượng. Để có kết quả tốt nhất, chỉ báo nhiệt độ nên được tích hợp vào phích cắm USB và / hoặc ổ cắm để nó có thể theo dõi nhiệt độ đầu nối tại nguồn lỗi.
Không giống như thiết bị có hệ số nhiệt độ dương hoặc thiết bị ngắt mạch mini phải ở mức Vxe buýt đường dây, một chỉ báo nhiệt độ kỹ thuật số không tiêu thụ điện năng và giảm khả năng cung cấp điện. Hơn nữa, các thành phần khác này được giới hạn ở 100 W và công suất thấp hơn sẽ ngăn cản việc sử dụng chúng trong ứng dụng USB Type-C phạm vi công suất mở rộng.
Cảm biến nhiệt độ phải có kích thước nhỏ để có thể phát hiện ra nguồn lỗi. Nó cũng có thể thay đổi trạng thái điện trở nhanh nhất là một (1) giây để tránh làm hỏng cáp và các thành phần điện tử. Hình 5 hiển thị cách một chỉ báo nhiệt độ duy trì nhiệt độ bề mặt đầu nối an toàn khi xảy ra sự cố quá nhiệt.
So sánh nhiệt độ bề mặt đầu nối tăng thấp hơn khi chỉ báo nhiệt độ (A Littelfuse setP) được sử dụng để bảo vệ quá nhiệt. Nhấp để xem hình ảnh lớn hơn. (Nguồn: Littelfuse, Inc.)
Tổng kết
Nếu không có biện pháp bảo vệ thích hợp, ESD hoặc mảnh vỡ trong đầu nối USB Type-C có thể gây ra lỗi trường trong các thiết bị điện tử tiêu dùng có giá trị mà người dùng sử dụng hàng ngày. Các kỹ sư điện tử có thể bảo vệ các thiết kế mới nhất của họ bằng cách sử dụng điốt TVS để bảo vệ đường dây USB khỏi ESD và các chỉ báo nhiệt độ kỹ thuật số để bảo vệ các đầu nối không bị quá nhiệt. Khi các thiết bị di động ngày càng trở nên nhỏ hơn và phức tạp hơn và nhu cầu sạc nhanh hơn tiếp tục tăng, các nhà thiết kế phải đối mặt với thách thức bổ sung trong việc tìm kiếm các thành phần bảo vệ gắn trên bề mặt nhỏ hơn để đáp ứng không gian hạn chế và giảm thiểu bất động sản PCB cần thiết để tạo ra sự bảo vệ cần thiết các phương pháp.
Suy nghĩ trước về những cân nhắc thiết kế quan trọng này sẽ giúp ngăn ngừa sự cố cho người dùng cuối. Nó cũng góp phần vào hiệu suất sản phẩm mạnh mẽ hơn, tuổi thọ sản phẩm lâu hơn và sự hài lòng của người tiêu dùng cao hơn.
Tài liệu tham khảo:
1Trang web của Diễn đàn Người triển khai USB: Trang nhất | USB-NẾU.
2Loại xe buýt nối tiếp đa năng-C Đặc điểm kỹ thuật của cáp và đầu nối. Bản sửa đổi 2.1. Tháng 2021 năm XNUMX. Diễn đàn Người triển khai USB (USB-IF), Inc. Phiên bản 2.1 Đặc điểm kỹ thuật của cáp và đầu nối USB Type-C Phiên bản XNUMX | USB-NẾU.
3IEC 61000-4-2 Tương thích điện từ (EMC) - Phần 4-2: Kỹ thuật thử nghiệm và đo lường I Thử nghiệm miễn dịch phóng điện tĩnh điện. Ủy ban kỹ thuật điện quốc tế. Phiên bản 2.0 tháng 2008 năm XNUMX.
4Trang web của Hội đồng Điện tử Ô tô: AECMain (aecouncil.com).
Chỉ báo nhiệt độ kỹ thuật số cho cáp USB Type-C Hướng dẫn thiết kế và lắp đặt, Littelfuse, Inc., tháng 2019 năm 2021, cập nhật vào tháng XNUMX năm XNUMX
Giới thiệu về tác giả
về Littelfuse