Защита устройств с интерфейсом USB 2.0
Рекомендации по применению
Защита портов USB
Интерфейс USB является, пожалуй, самым распространенным в мире компьютерным интерфейсом. Его применение в промышленных приложениях становится все более популярным. Давайте подробнее рассмотрим специальные условия, свойственные промышленным приложениям.Практические проблемы, связанные с устойчивостью к электромагнитным помехам (ЭМП) и электростатическим разрядам (ЭСР), описаны в «Руководстве по проектированию высокоскоростных платформ USB» компании Intel. Intel рекомендует использовать для подавления ЭМП синфазные дроссели и некоторые другие компоненты для защиты от ЭСР. Компания Wurth Elektronik предлагает все эти изделия.
- Синфазный дроссель WE-CNSW предназначен для подавления ЭМП в высокоскоростных сигнальных линиях
- Матрицы TVS-диодов WE-TVS с очень малой емкостью (<2 пФ) или ограничители ЭСР WE-VE (с емкостью от 0,05 пФ) являются оптимальным выбором для защиты от ЭСР. (Transient Voltage Surge Suppressor)
Но для обеспечения полноценной защиты от ЭМП абсолютно необходимо защитить также и источник питания (Vbus). Многие разработчики забывают об этом важном правиле и удивляются, когда их изделия не проходят испытания на устойчивость к ЭМП.
Ниже показаны две типовые схемы оптимизированной защиты одного или двух USB портов:
Одна матица TVS-диодов WE-TVS может полностью защитить два порта USB. Надежно защищенными оказываются все четыре сигнальные линии и общий источник питания. Для дальнейшей оптимизации, т.е. для фильтрации входного синфазного шума, а также дифференциального шума линии USB, используется LC фильтр на основе синфазного дросселя WE-CNSW и конденсаторов.
Хорошего подавления шума в линиях питания можно добиться, применив ферритовые фильтры (чип-ферриты) серии WE-CBF Wurth Elektronik.
Кроме того, между сигнальной линией и землей включаются компоненты для защиты одной линии, такие как ограничители ЭСР серии WE-VE. Для защиты линии питания нет смысла использовать ограничитель ЭСР малой емкости. Для этой цели лучше подойдет стандартный варистор для поверхностного монтажа, способный выдерживать значительные импульсные перенапряжения и мощные переходные процессы.
О TVS-диодах
Компания Wurth Elektronik выпускает матрицы TVS-диодов серии WE-TVS. Эти диодные матрицы выполняют три основные функции:
- защита от электростатических разрядов согласно EN 61000-4-2
- защита от импульсного перенапряжения согласно EN 61000-4-5
- защита от импульсных переходных помех согласно EN 61000-4-4
Серия WE-TVS представляет собой обладающую высокими характеристиками матрицу из TVS-диодов, способных ограничивать импульсные перенапряжения. Эти матрицы рекомендуются для защиты от перенапряжения высокоскоростных линий передачи данных, таких как USB 2.0, DVI или LAN. Параметры серии WE-TVS превосходят требования стандарта EN 61000-4-2. Благодаря сверхмалой емкости (<2,0 пФ) эти диоды практически не оказывают влияния на характеристики сигнальной линии.
Об ограничителях ЭСР
Для защиты от ЭСР используются специальные варисторы с малой собственной емкостью. Компания Wurth Elektronik выпускает три серии таких варисторов:
- Стандартная серия WE-VE: емкость от 1 до 120 пФ, номинальное напряжение от 5 до 24 В
- Серия WE-VE «ULC»: емкость 0,2 пФ, для сигнальных линий напряжением до 12 В
- Серия WE-VE «femtoF»: емкость 0,05 пФ, номинальные напряжения 6, 14 и 26 В
Первые две серии выпускаются также в виде матрицы из четырех элементов.
Зачем нужна защита от электростатического разряда?
С момента появления электронных устройств существует проблема защиты электронных компонентов от воздействия электростатических разрядов. Пиковое напряжение ЭСР достигает 30 кВ и поэтому очень опасно для всех типов интегральных схем. И хотя некоторые современные ИС имеют встроенную защиту от ЭСР, практический опыт показывает необходимость дополнительной защиты. С одной стороны, это обеспечивает защиту всех компонентов печатной платы от ЭСР, а с другой стороны, позволяет создавать более надежные изделия для удовлетворения потребностей ваших заказчиков.Зачем нужна защита от электромагнитных помех?
С ростом числа электрических и электронных приборов и с широким распространением беспроводных интерфейсов все более важным становится требование к обеспечению устойчивости изделий к преднамеренному и непреднамеренному радиочастотному воздействию. Только точный учет влияния ЭМП на ваше изделие позволит спроектировать соответствующую защиту и ускорить его продвижение на рынок.Кроме того, само изделие не должно генерировать избыточные уровни ЭМП, и эта его характеристика оценивается обычно в лабораториях по испытанию электромагнитной совместимости. Если изделие не пройдет испытания, то затраты на устранение этого недостатка могут значительно увеличить стоимость разработки.
Устройства защиты для различных областей применения
Выпускается четыре типа матриц TVS-диодов и пять типов ограничителей ЭСР:
| Код заказа | Корпус | Назначение выводов | Число защищаемых линий ввода- вывода / Vпит | Vобр макс | Cвх | Ipp | VЭСР | Vогр ЭСР | Возможность гальванич. развязки Vпит |
| 824 011 | SOT23-5L | 1 | 2 / 1 | 5 В | 2,0 пФ | 12 A | 20 кВ | 13 В | Нет |
| 824 015 | SOT23-6L | 2 | 4 / 1 | 5 В | 2,0 пФ | 12 A | 20 кВ | 13 В | Нет |
| 824 001 | SOT23-6L | 2 | 4 / 1 | 5 В | 1,0 пФ | 5 A | 15 кВ | 14 В | Нет |
| 824 014 | SOT23-6L | 3 | 4 / 1 | 5 В | 0,5 пФ | 4 A | 16 кВ | 12 В | Да |
| 823 07 050 029 | 0402 | 4 | 1 | 5 В | 0,2 пФ | - | 8 кВ | 17 В | - |
| 823 06 050 029 | 0603 | 4 | 1 | 5 В | 0,2 пФ | - | 8 кВ | 30 В | - |
| 823 81 120 029 | 0612 | 5 | 4 | 12 В | 0,2 пФ | - | 8 кВ | 30 В | - |
| 823 17 06 | 0402 | 4 | 1 | 6 В | 0,05 пФ | - | 8 кВ | 40 В | - |
| 823 16 06 | 0603 | 4 | 1 | 6 В | 0,05 пФ | - | 8 кВ | 40 В | - |
Как выбрать подходящий компонент?
- Вам известно напряжение питания и, следовательно, максимальный размах сигнала . возьмите TVS-диод
- Вам неизвестно напряжение питания или его полярность . возьмите TVS-диод, допускающий гальваническую развязку Vпит, или возьмите ограничитель ЭСР WE-VE
- Какую максимальную емкость можно подключить к линии передачи данных, чтобы не нарушить целостность данных? . На линии USB 2.0 допускается подключать емкость до 5 пФ
- Какое максимальное напряжение может создавать электростатический разряд?
- Вы хотите защитить одну или две линии USB? Имейте в виду, что подключение одной линии данных USB к двум выводам «I/O» TVS-диода обеспечивает лучшие характеристики . выбирайте матрицу
Ответьте на все эти вопросы, и вы найдете наиболее подходящий вам компонент.
Для одного USB-порта мы рекомендуем использовать 824 011, а для двух USB-портов – 824 015.
Разработчики, предпочитающие устанавливать отдельный защитный элемент для каждой линии, могут выбрать компоненты с номерами 823 07 050 029 или 823 06 050 029.
Тестирование по глазковой диаграмме
Выбирая защитный элемент, вы должны быть уверены, что ваш интерфейс будет отвечать требованиям спецификации USB. Поэтому лучше выбирать защитные устройства с малой емкостью, чтобы минимизировать влияние на характеристики сигнальных линий.
Глазковая диаграмма дифференциального сигнала с подключенным к двум линиям TVS-диодом WE-TVS, код 824 015 По глазковой диаграмме видно, что после подключения диода WE-TVS целостность сигнала USB 2.0 не нарушилась. Аналогичный результат продемонстрируют все упомянутые здесь TVS-диоды и ограничители ЭСР.
Следующая таблица иллюстрирует выдающиеся достижения технологии компании Wurth Elektronik, обеспечивающей сверхмалую емкость защитных элементов. Компоненты, изготовленные по этой новой технологии, обладают столь малой емкостью между каналами, что в нормальных условиях работы не оказывают никакого воздействия на сигнал.
| Код заказа | Корпус | Число защищаемых линий ввода- вывода | Vобр макс | Свх | CX | |
| 824 015 | SOT23-6L | 4 | 5 | 2 пФ | 0,1 пФ | |
| Аналог производителя S | SOT23-6L | 4 | 5 | 3 пФ | 1,5 пФ | |
| 824 001 | SOT23-6L | 4 | 5 | 1 пФ | 0,1 пФ | |
| Аналог производителя P | SOT23-6L | 4 | 5 | 3 пФ | 1,5 пФ | |
| Vобр макс | Максимальное обратное рабочее напряжение | |||||
| Свх | Входная емкость между выводом I/O и землей (Vвх = 2,5 В, Vпит=5 В) | |||||
| Сх | Входная емкость между выводами I/O (Vвх = 2,5 В, Vпит=5 В) | |||||
Тестирование уровня защиты ограничителей ЭСР
Простейший способ измерения уровня защиты заключается в подаче импульса ЭСР на электронную схему с защитным устройством и в измерении пикового напряжения этого импульса до и после защитного устройства. Но на результаты такого измерения оказывают влияние некоторые условия.В связи с высокой частотой и широкой полосой импульса ЭСР (от нескольких МГц до нескольких ГГц), во время измерения могут возникать высокочастотные отражения. Абсолютное пиковое напряжение и напряжения выбросов во время отражения являются показателем лучшей и худшей защиты, но вы не можете указать точное значение напряжения ограничения. И к тому же, это измерение не обладает должной достоверностью и повторяемостью!
Инженеры, знакомые с полупроводниковыми приборами, знают о существовании метода измерения TLP. Метод TLP (метод импульсного измерения линии передачи) позволяет выполнять воспроизводимые и очень точные измерения, поскольку все измерения выполняются в согласованной системе сопротивлением 50 Ом.
На элемент защиты подается импульс тока определенной формы (слева) и измеряется результирующее напряжение на этом элементе (в центре). Эта процедура повторяется с нарастанием тока. В результате вы получаете характеристику TLP (справа).
Измерение по методу TLP и соответствующая характеристика TLP
Это измерение можно выполнять для вывода Vпит и выводов I/O. Чем меньше получится измеренное напряжение, тем лучше работает защитное устройство и, следовательно, выше надежность вашей электронной схемы.
Благодаря встроенной технологии мгновенного сброса, TVS-диоды компании Wurth Elektronik обладают минимальным напряжением ограничения ЭСР на современном рынке. WE-TVS демонстрирует явное превосходство по сравнению с изделиями конкурентов! Чтобы убедиться в этом, достаточно взглянуть на характеристики TLP.
| Код заказа | Корпус | Число защищаемых линий ввода- вывода | Vобр макс | Vогр,IO | Vогр,VDD | VЭСР | Свх | IPP |
| 824 015 | SOT23-6L | 4 | 5 | 12 | 7,5 | 12 кВ | 2 пФ | 12 А |
| Аналог производителя S | SOT23-6L | 4 | 5 | 22 | 15,5 | 15 кВ | 3 пФ | 12 А |
| 824 001 | SOT23-6L | 4 | 5 | 14 | 9 | 8 кВ | 1 пФ | 5 А |
| Аналог производителя P | SOT23-6L | 4 | 5 | 28 | 19 | 8 кВ | 3 пФ | 6 А |
| Vобр макс | Максимальное обратное рабочее напряжение | |||||||
| Vогр,IO | Напряжение ограничения ЭСР на выводе I/O (IEC 61000-4-2, режим вывода 6 кВ) | |||||||
| Vогр,VDD | Напряжение ограничения ЭСР на выводе питания (IEC 61000-4-2, режим вывода 6 кВ) | |||||||
| VЭСР | Максимальный выдерживаемый импульс ЭСР (IEC 61000-4-2, режим вывода) | |||||||
| Свх | Входная емкость между выводом I/O и землей (Vвх = 2,5 В, Vпит=5 В) | |||||||
| IPP | Максимальный выдерживаемый бросок тока (8/20 мкс) | |||||||
Рекомендуемая топология печатной платы для одного порта USB
Две дифференциальные сигнальные линии (D+ и D-) с разъема идут на TVS-диод (код 824 011) и через синфазный дроссель (код 744 232 090) на USB контроллер, как показано далее на левом рисунке. Это обеспечивает превосходную защиту от ЭСР и подавление ЭМП в обеих линиях.Линия VBUS разводится подобно сигнальной линии, но вместо синфазного дросселя используется ферритовый фильтр (код 742 792 641). После ферритового фильтра можно включить конденсатор и второй ферритовый фильтр для достижения максимального подавления ЭМП.
Для очень чувствительных ИС и/или для устройств, требующих высокой надежности, можно получить оптимальное подавление ЭСР, использовав двойное подключение матрицы из четырех TVS-диодов (код 824 015), как показано на рисунке справа.
Рекомендуемая топология печатной платы для сдвоенного порта USB
Топология данной схемы практически ничем не отличается от топологии для одного USB порта. Используйте те же детали, что и для защиты одного порта, и уровни защиты тоже будут такими же.
Перечень элементов
В этих рекомендациях по применению использованы следующие элементыTVS-диоды WE-TVS:
824 011: Защита 2 линий I/O и линии Vпит: типоразмер SOT23-5L | CI/O 2 пФ | Vобр макс 5 В | Ipp 5A 824 015: Защита 4 линий I/O и линии Vпит: типоразмер SOT23-6L | CI/O 2 пФ | Vобр макс 5 В | Ipp 5A 824 013: Защита 4 линий I/O и линии Vпит для USB и LAN с 3.3 В: типоразмер SOT23-6L | CI/O 3 пФ | Vобр макс 3.3 В | Ipp 5A 824 016 46: Защита 4 линий I/O и линии Vпит для USB 3.0: типоразмер MSOP-8L | CI/O 0.2 пФ | Vобр макс 5 В | Ipp 5A
Ограничители ЭСР WE-VE:
823 07 050 029: Типоразмер 0402 | Cтип 0,2 пФ | Vобр макс 5В | Vогр 17 В 823 06 050 029: Типоразмер 0603 | Cтип 0,2 пФ | Vобр макс 5В | Vогр 30 В
Синфазные дроссели WE-CNSW:
744 230 900: Типоразмер 0603 | Iпост 550 мА | Rпост 145 мОм | импеданс 90 Ом 744 232 091: Типоразмер 0805 | Iпост 370 мА | Rпост 300 мОм | импеданс 90 Ом 744 232 090: Типоразмер 1206 | Iпост 370 мА | Rпост 300 мОм | импеданс 90 Ом 744 235 900: Типоразмер 1812 | Iпост 2000 мА | Rпост 50 мОм | импеданс 90 Ом 744 233 670: Типоразмер 0805 | Iпост 320 мА | Rпост 240 мОм | импеданс 67 Ом | HF
Ферритовые фильтры WE-CBF:
742 792 641: Типоразмер 0603 | Iпост 2000 мА | Rпост 150 мОм | импеданс 300 Ом 742 792 66: Типоразмер 0603 | Iпост 200 мА | Rпост 600 мОм | импеданс 1000 Ом 742 792 79: Типоразмер 0402 | Iпост 200 мА | Rпост 1000 мОм | импеданс 600 Ом 742 792 651: Типоразмер 0603 | Iпост 1000 мА | Rпост 200 мОм | импеданс 600 Ом 742 792 040: Типоразмер 0805 | Iпост 2000 мА | Rпост 150 мОм | импеданс 600 Ом
USB разъемы WR-COM:
614 004 160 21: USB разъем Тип A | THT | Горизонтальный 614 008 260 21: USB разъем Тип A | THT | Двойной 614 004 135 023: USB разъем Тип A | THT | Вертикальный 614 004 134 726: USB разъем Тип A | THT | Upright 629 004 160 21: USB разъем Тип A | SMT | Горизонтальный 614 004 161 21: USB разъем Тип B | THT | Горизонтальный 651 005 136 521: Mini USB разъем Тип B | THT | Горизонтальный 651 005 136 421: Mini USB разъем Тип B | THT | Вертикальный 614 108 247 221: USB разъем Тип A | THT | Двухсторонний (Reversible) 629 105 136 821: USB разъем Тип A | THT | Вертикальный 692 121 030 100: USB3.0 разъем Тип A | THT | Горизонтальный
Набор бесплатных образцов 829999BAG доступен к заказу со склада.
Этот набор включает в себя синфазный дроссель WE-CNSW 744 232 090, чип ферриты WE-CBF 742 792 651 и TVS диоды WE-TVS 824 001 02.
Электронные компоненты Wurth Elektronik >>>
Подробнее о компании Wurth Elektronik >>>
