Designtipps zum Schutz von Hochgeschwindigkeitsschnittstellen

In diesem zweiten Teil der Reihe "Schützen Sie Ihre Ports! Top Design-Tipps, um Ihre Kommunikation verbunden zu halten" untersuchen wir, wie der Schutz von Hochgeschwindigkeitsschnittstellen aussieht wie USB, HDMI, DisplayPort und eSATA.

Es gibt zahlreiche Kommunikationsschaltungen und -protokolle, die einem breiten Anwendungsbereich dienen. Da diese Schaltkreise Daten zwischen getrennten Geräten übertragen und empfangen, sind die Ports der Schnittstellen externen Bedrohungen ihrer Schaltkreise ausgesetzt. Zu diesen Bedrohungen gehören Stromüberlastungen und Spannungstransienten durch Blitzschlag, elektrische schnelle Transienten (EFT) und elektrostatische Entladung (ESD).

Diese Schaltkreise müssen vor Schäden geschützt werden, die durch diese externen Bedrohungen verursacht werden, aber das Übertragungsprotokoll der Schnittstelle kann nicht kompromittiert werden. Mit implementierten Schutzschemata muss die Kommunikationsschaltung zuverlässig unverfälschte Daten übertragen; und der Empfänger muss Informationen genau erkennen und decodieren, damit die Originaldaten vollständig wiederhergestellt werden.

Dieser Artikel ist der zweite in einer Reihe zum Schutz von Kommunikationsschnittstellen. Die ersten präsentierten Lösungen zum Schutz der Ports von Power-over-Ethernet-Schnittstellen. In diesem Artikel erhalten Elektronikdesigner Empfehlungen zum Schutz von Hochgeschwindigkeitsschnittstellen, ohne die Übertragungs-/Empfangsleistung zu beeinträchtigen oder Beschränkungen der Produktgröße zu beeinträchtigen.

Es werden vier Kommunikationsprotokolle betrachtet:

• die Universal Serial Bus (USB)-Standards, die sich mit höheren Geschwindigkeitsformaten weiterentwickeln,
• die High-Definition-Multimedia-Schnittstelle (HDMI),
• die DisplayPort-Schnittstelle
• und den External Serial Advanced Technology Attachment (eSATA).

Der Zweck dieser Standards und ihre aktuellen maximalen Bandbreiten sind in Tabelle 1 beschrieben.

Tabelle 1. Kommunikationsprotokolle, Funktion und maximale Datenrate

USB-Schnittstellen

Der USB-Anschluss ist bei Personalcomputern, Computerperipheriegeräten, elektronischen Test- und Messgeräten und zahlreichen anderen Produkten allgegenwärtig. Die USB-Schnittstelle ermöglicht eine einfache und schnelle Verbindung zwischen Computern, Smart-Geräten und Peripheriegeräten. Es wurde erstmals 1996 standardisiert und hat sich mit höheren Geschwindigkeiten weiterentwickelt und ermöglicht mehr Stromtragfähigkeit zum Laden batteriebetriebener Geräte.

Das USB-Implementers Forum (USB-IF) hat den Standard durch vier große Überarbeitungen aktualisiert. Der kabelgebundene USB-Standard begann mit Version 1.0 und hat sich über die Versionen 2.0, 3.x weiterentwickelt und ist derzeit bis zur Revision 4, USB4.

Tabelle 2 listet die Versionen von 2.0 bis USB4 auf und zeigt, wie sich der maximale Durchsatz jeder Version erheblich erhöht hat.

Tabelle 2. Die aktuell aktiven Versionen der USB-Schnittstelle und deren maximale Datenübertragungsraten

Die unterschiedlichen Datenraten ermöglichen es, einen USB-Port mit Geräten zu verbinden, die von langsamen Tastaturen bis hin zu Hochgeschwindigkeits-Videogeräten reichen. Designer können eine verallgemeinerte Schnittstelle nutzen, bei der die Signalleitungen nicht einer bestimmten Funktion eines Gerätetyps zugeordnet sind. Außerdem können Designer USB-Schnittstellen so einrichten, dass sie für zeitkritische Funktionen eine geringe Latenz haben oder große Datenübertragungen im Hintergrund durchführen.

Darüber hinaus definiert der Standard Power Delivery (PD)-Revisionen für die USB-Versionen 1 bis 3. Die PD-Revisionen ermöglichen das Laden und die Stromversorgung von Geräten über die USB-Schnittstelle. Die Leistungskapazität wurde von 2,5 W (5 V @ 0,5 A) auf 100 W (20 V @ 5 A) erhöht.

Die USB-Anschlüsse wurden ebenfalls weiterentwickelt, um höhere Datenraten und eine größere Stromverfügbarkeit zu ermöglichen. Abbildung 1 zeigt die Stiftkonfigurationen und die relative Anschlussgröße für die verschiedenen Anschlüsse, die für jede USB-Version verwendet werden. Tabelle 3 zeigt die maximale Datenrate, die jeder Anschluss erreichen kann.

Abbildung 1. USB-Anschlüsse für die verschiedenen USB-Standards

Tabelle 3. Maximale Datenraten für USB-Anschlusstypen

Schutz einer USB 2.0-Schnittstelle

Die USB 2.0-Schnittstelle besteht aus einer VBUS-Stromleitung und zwei Datenleitungen, wie in Abbildung 2a dargestellt.

Abbildung 2. Empfohlene Schutzkomponenten für USB 2.0- und USB 3.2-Schnittstellen

Die VBUS-Leitung, die ihren Strom von der Wechselstromleitung erhalten kann, ist Stromüberlastungen und Spannungstransienten ausgesetzt, die sich auf der Wechselstromleitung ausbreiten. An der VBUS-Leitung sollte zum Schutz vor Überlastung eine rückstellbare Sicherung installiert werden, damit die rückstellbare Sicherung nach Beseitigung der Überlastung zurückgesetzt wird und der Stromkreis weiter funktionieren kann.

Eine Polymer-Sicherung mit positivem Temperaturkoeffizienten (PPTC) ist eine rückstellbare Sicherung, deren Widerstand aufgrund der durch einen Überlaststrom erzeugten Wärme erheblich ansteigt. Der innere Aufbau der PPTC-Sicherung verändert sich bei Überlastung und führt zu einer Widerstandserhöhung. Wenn das Gerät abkühlt, wird die Struktur mit niedrigem Widerstand wiederhergestellt. Diese Sicherungen sind für Niederspannungskreise ausgelegt, in denen die maximale Nennspannung normalerweise 24 V beträgt.

Weitere Merkmale von PPTC-Sicherungen sind:

• Ultra-niedriger Widerstand im Bereich von mΩ bis etwa 2 Ω, wenn ein Strom unter dem Auslösewert der Sicherung fließt
• Große Auswahl an Stromstärken von 100 mA bis 9 A
• Schnelle Reisezeit
• Platzsparende, oberflächenmontierbare Verpackungen in den Größen 0402 bis 2920
• UL-Komponentenanerkennung und TÜV-Zulassung.

Verwenden Sie zum Schutz des von der VBUS-Leitung gespeisten Stromkreises vor durch die Stromleitung induzierten Transienten und elektrostatischen Entladungsschlägen (ESD) ein unidirektionales Transientenspannungsunterdrücker-(TVS)-Diodenarray. Versionen dieser Art von Diodenarray bieten:

• Kapazität zur sicheren Aufnahme von bis zu 40 A bei einem elektrisch schnellen Transienten und 5 A bei einem Blitzeinschlag
• Fähigkeit, einem ESD-Einschlag von ±30 kV entweder aus der Luft oder durch direkten Kontakt standzuhalten
• Maximaler niedriger Ableitstrom von 0,5 µA in 5-V-Stromkreisen
• Ein platzsparendes 0201 SMD-Paket

Achten Sie darauf, die Datenleitungen vor Spannungsspitzen zu schützen, die die Datenübertragung beeinträchtigen können. Ziehen Sie ein 4-Kanal-TVS-Diodenarray zum Schutz der Datenleitung in Betracht.

Diodenarrays wie das in Abbildung 3 gezeigte haben die folgenden Fähigkeiten:

• Sichere Absorption eines +22-kV-ESD-Einschlags durch die Luft oder eines Direktkontakt-Einschlags und eines –10-kV-ESD-Einschlags per Luft- oder Direktkontakt
• Minimale Auswirkungen auf die Datenleitungen mit einer Kapazität von 0,3 pF pro Pin gegen Masse.
• Niedriger Ableitstrom von 10 nA für minimale Belastung des Stromkreises.

Somit sind nur drei Komponenten erforderlich, um einen USB 2.0-Port vollständig zu schützen.

Abbildung 3. 4-Kanal-TVS-Diodenarray mit einer Zener-Diode zum Schutz vor Transienten

Schutz einer USB 3.2-Schnittstelle

Wie in Abbildung 2b oben gezeigt, umfasst die USB 3.2-Schnittstelle eine VBUS-Leitung und sechs Daten- und Steuerleitungen. Verwenden Sie dieselben Komponenten, die zum Schutz der VBUS-Leitung wie für die USB 2.0-Schnittstelle beschrieben vor Überstrom- und Überspannungsereignissen empfohlen werden. Um die sechs Datenleitungen vor Spannungsspitzen zu schützen, sollten Sie ein diskretes TVS-Diodenarray an jedem Port in Betracht ziehen.

Einzelne TVS-Diodenarrays können diese Fähigkeiten haben:

• Sichere Aufnahme von bis zu 40 A Spitzenstrom aus einem elektrisch schnellen Transienten
• ESD-Schutz bis ±18 kV über die Luft und ±12 kV bei direktem Kontakt
• Niedriger Ableitstrom mit einem Maximalwert von 20 nA
• Niedrige Kapazität von 0,09 pF Pin-Pin, die die Signalintegrität nicht beeinträchtigt

Die Verwendung einzelner TVS-Dioden bietet einen besseren Schutz des schnelleren USB-Ports mit Komponenten mit geringerer Kapazität für minimale Auswirkungen auf die Datenübertragungskapazität.

Schutz der Hochgeschwindigkeits-USB 3.2- und USB 4.0-Schnittstellen mit den Power Delivery-Revisionen

Die USB 3.2 Gen 2x1 und höhere Versionen erfordern die Verwendung des Typ-C-Anschlusses. Wie aus Abbildung 1 ersichtlich, handelt es sich bei dem Typ-C-Stecker um einen High-Density-Stecker. Infolgedessen kann der Typ-C-Steckverbinder aufgrund von Staub und Schmutz, der in den Steckverbinder eindringen kann, anfällig für Widerstandskurzschlüsse zwischen den Kontakten sein.

Mit bis zu 100 W an den Power-Pins ist die Gefahr einer Beschädigung des Steckers und der dazugehörigen Schaltung immer vorhanden. Schützen Sie den USB-Typ-C-Anschluss vor Hitze im Zusammenhang mit dem Widerstandsfehler, indem Sie eine digitale Temperaturanzeige auf der Leitung des Konfigurationskanals (CC) verwenden, wie in Abbildung 4 gezeigt.

Abbildung 4. Empfohlene Schutzkomponenten für USB 3.2 und USB 4.0 Typ-C Schnittstellen

Mit der digitalen Temperaturanzeige der CC-Reihe kann es unter allen Leistungsbedingungen genauen Schutz bieten, von der niedrigsten Stufe wie 5 W bis hin zur maximalen Leistung von USB-C, 100 W. Weitere Informationen zur Implementierung dieser Wärmeschutzfunktion finden Sie im USB-Typ-C-Standard.

Ziehen Sie zum Schutz vor Transienten in Betracht, verschiedene Versionen von TVS-Diodenarrays zu verwenden. Wählen Sie für die SuperSpeed-Leitungen ein TVS-Diodenarray mit der niedrigsten Kapazität. Halten Sie den Stromverbrauch niedrig, indem Sie TVS-Diodenarrays mit geringem Leckstrom auswählen, insbesondere für die VBUS-Leitungen.

Wenn Ihr Produkt in der Automobilindustrie verwendet wird, wählen Sie TVS-Diodenarrays, die AEC-Q101-qualifizierte Komponenten sind (Automotive Electronics Council Failure Mechanism Based Stress Test Qualification for Discrete Semiconductors).

Schutz von HDMI-, DisplayPort- und eSATA-Schnittstellen

Ein ähnliches Schutzschema wird für die Schnittstellen-Ports High Definition Multimedia Interface (HDMI), DisplayPort und eSATA empfohlen, sodass diese drei Schnittstellen zusammen betrachtet werden. HDMI kombiniert High-Definition-Video und digitales Audio von einem Display-Controller zu einem Video-Display-Gerät oder einem Audio-Gerät. HDMI ist als De-facto-Standard für hochauflösendes Fernsehen bekannt. Die HDMI-Schnittstelle ist seit 2004 in Produkten integriert. Sie liegt jetzt in der Version 2.1 vor und kann Daten mit einer maximalen Rate von 48 Gbit/s übertragen.

Die DisplayPort-Schnittstelle wurde entwickelt, um Videodaten von einer Videoquelle an ein Anzeigegerät wie einen PC-Monitor zu übertragen. Diese Schnittstelle, die gleichzeitig Audio und Video übertragen kann, ersetzt den VGA-Standard. DisplayPort wurde erstmals 2006 eingeführt. Die Version 2.0 mit einer Zieldatenrate von 77 Gbit/s soll noch in diesem Jahr fertiggestellt werden. Diese Schnittstelle ist mit der HDMI-Schnittstelle kompatibel. Die Video Electronics Standards Association pflegt den DisplayPort-Standard.

Die Serial Advanced Technology Attachment (SATA)-Schnittstelle, die ursprünglich von IBM in einem parallelen Format für den IBM AT PC entwickelt wurde, definiert eine Schnittstelle, die heute die Industriestandardschnittstelle für Plattenlaufwerke ist. Der externe SATA-Standard (eSATA) wurde 2004 weiterentwickelt, um eine robuste Verbindung für die Konnektivität externer Festplatten zu schaffen.

Um diese drei Schnittstellen (siehe Abbildung 5) vor schädlichen Transienten zu schützen, kann ein einzelner Komponententyp erforderlich sein, ein vierzeiliges TVS-Diodenarray.

Abbildung 5. Empfohlener Schutz für HDMI-, DisplayPort- und eSATA-Schnittstellen

Abbildung 6 zeigt die Konfiguration des 4-Linien-TVS-Diodenarrays.

Abbildung 6. TVS-Diodenarray zur Unterdrückung von Spannungsspitzen auf vier Hochgeschwindigkeits-Datenleitungen

TVS-Diodenarrays wie ein 4-Line-Array bieten:

• Ultra-niedrige Kapazität von 0,2 pF, die einen unbedeutenden Einfluss auf das Transmissions-Augendiagramm hat
• 25 nA Ableitstrom für minimalen Stromverbrauch
• ESD-Schutz bis zu ±20 kV entweder über Luft- oder Direktkontaktübertragung
• SOD 883-Verpackung, um Platz auf der Leiterplatte zu sparen und die Komplexität des Leiterbahn-Layouts zu reduzieren.

Der Schutz Ihrer Ports verbessert die Robustheit und Zuverlässigkeit des Produkts

Der Schutz von Übertragungsschnittstellen beinhaltet die Auswahl von Komponenten, die den Schaltkreis schützen, ohne die übertragenen Signale zu beeinträchtigen. Glücklicherweise werden nicht viele Komponenten benötigt. Es ist jedoch eine Vielzahl von Komponenten zu berücksichtigen.

Nutzen Sie das Know-how eines Herstellers bei der Konstruktion und Auswahl von Schutzkomponenten, um wertvolle Entwicklungszeit zu sparen. Der Hersteller kann bei der Beratung zu kostengünstigen Lösungen helfen. Der Schutz Ihres Designs vor Stromüberlastungen und Spannungstransienten führt zu einem robusten, zuverlässigen Design, das den Ruf Ihres Produkts auf dem Markt verbessert und die Servicekosten während der Garantiezeit reduziert.

Zusätzliche Referenzen

Um mehr zu erfahren, laden Sie die folgenden Anleitungen mit freundlicher Genehmigung von Littelfuse, Inc. herunter.

• Leitfaden zur Auswahl von Stromkreisschutzprodukten
• Littelfuse setP™ Design- und Installationsanleitung
• Leitfaden zum Design des ESD-Schutzes

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