Советы по проектированию для защиты высокоскоростных интерфейсов

В этой второй части серии «Защитите свои порты! Лучшие советы по дизайну, чтобы поддерживать связь на связи» мы исследуем, как выглядит защита высокоскоростных интерфейсов например, включая USB, HDMI, DisplayPort и eSATA.

Существует множество коммуникационных схем и протоколов для обслуживания широкого диапазона приложений. Поскольку эти цепи передают и принимают данные между отдельными устройствами, порты интерфейсов подвержены внешним угрозам для их схем. К этим угрозам относятся перегрузки по току и переходные процессы напряжения от молнии, быстрые электрические переходные процессы (EFT) и электростатический разряд (ESD).

Эти цепи требуют защиты от повреждений, вызванных этими внешними угрозами, но протокол передачи интерфейса не может быть нарушен. При реализованных схемах защиты схема связи должна надежно передавать неповрежденные данные; и приемник должен точно обнаруживать и декодировать информацию, чтобы исходные данные были полностью восстановлены.

Это вторая статья из серии о защите коммуникационных интерфейсов. Первыми представлены решения для защиты портов интерфейсов Power-over-Ethernet. В этой статье инженерам-разработчикам электроники представлены рекомендации по защите высокоскоростных интерфейсов без снижения производительности передачи / приема и ограничения размеров продукта.

Рассмотрены четыре протокола связи:

• стандарты универсальной последовательной шины (USB), которые продолжают развиваться с появлением более высокоскоростных форматов,
• Мультимедийный интерфейс высокой четкости (HDMI),
• интерфейс DisplayPort,
• и дополнительное технологическое приложение для внешнего последовательного порта (eSATA).

Назначение этих стандартов и их текущая максимальная пропускная способность описаны в таблице 1.

Таблица 1. Протоколы связи, функции и максимальная скорость передачи данных

Интерфейсы USB

Порт USB используется повсеместно на персональных компьютерах, компьютерной периферии, электронных контрольно-измерительных приборах и многих других продуктах. Интерфейс USB обеспечивает простое и быстрое соединение между компьютерами, интеллектуальными устройствами и периферийными устройствами. Впервые он был стандартизирован в 1996 году и развивается с более высокими скоростями и обеспечивает большую грузоподъемность для зарядки устройств с батарейным питанием.

Форум разработчиков USB (USB-IF) обновил стандарт до четырех основных версий. Стандарт проводного USB начался с версии 1.0 и прошел через версии 2.0, версии 3.x и в настоящее время до версии 4, USB4.

В таблице 2 перечислены версии от 2.0 до USB4 и показано, как существенно увеличилась максимальная пропускная способность каждой версии.

Таблица 2. Текущие активные версии интерфейса USB и их максимальная скорость передачи данных

Различная скорость передачи данных позволяет USB-порту взаимодействовать с различными устройствами, от медленных клавиатур до высокоскоростных видеоустройств. Разработчики могут воспользоваться обобщенным интерфейсом, в котором сигнальные линии не предназначены для определенной функции одного типа устройства. Кроме того, дизайнеры могут настроить USB-интерфейсы так, чтобы они имели низкую задержку для критичных по времени функций или позволяли передавать большие объемы данных в фоновом режиме.

Кроме того, стандарт определяет версии подачи питания (PD) для версий USB с 1 по 3. Версии PD позволяют заряжать устройства и получать питание через интерфейс USB. Мощность увеличена с 2,5 Вт (5 В при 0,5 А) до 100 Вт (20 В при 5 А).

Разъемы USB также претерпели изменения, чтобы обеспечить более высокую скорость передачи данных и большую доступную мощность. На рисунке 1 показаны конфигурации контактов и относительный размер разъемов для различных разъемов, используемых для каждой версии USB. В таблице 3 показана максимальная скорость передачи данных, которую может обеспечить каждый соединитель.

Рисунок 1. Разъемы USB, разработанные для различных стандартов USB

Таблица 3. Максимальная скорость передачи данных для типов разъемов USB

Защита интерфейса USB 2.0

Интерфейс USB 2.0 состоит из линии питания VBUS и двух линий данных, как показано на рисунке 2a.

Рисунок 2. Рекомендуемые компоненты защиты для интерфейсов USB 2.0 и USB 3.2

Линия VBUS, которая может получать питание от линии питания переменного тока, подвержена перегрузкам по току и переходным процессам напряжения, распространяющимся по линии питания переменного тока. Сбрасываемый предохранитель должен быть установлен на линии VBUS для защиты от перегрузок, чтобы при устранении перегрузки сбрасываемый предохранитель сбрасывался, и цепь могла продолжать работать.

Полимерный предохранитель с положительным температурным коэффициентом (PPTC) представляет собой самовосстанавливающийся предохранитель, сопротивление которого значительно увеличивается из-за тепла, выделяемого током перегрузки. Внутренняя структура предохранителя PPTC изменяется во время перегрузки, вызывая увеличение сопротивления. Когда устройство остынет, структура низкого сопротивления восстанавливается. Эти предохранители предназначены для цепей низкого напряжения, где максимальное номинальное напряжение обычно составляет 24 В.

Другие особенности предохранителей PPTC:

• Сверхнизкое сопротивление, от мОм до примерно 2 Ом, когда протекает ток ниже номинала срабатывания предохранителя.
• Широкий диапазон значений тока от 100 мА до 9 А
• Быстрое время до поездки
• Компактная упаковка для поверхностного монтажа размером от 0402 до 2920
• Признание компонентов UL и одобрение TUV.

Для защиты цепи, питаемой линией VBUS, от переходных процессов, индуцированных линией питания, и электростатических разрядов (ESD) используйте диодную матрицу с однонаправленным ограничителем переходного напряжения (TVS). Версии этого типа диодной матрицы обеспечивают:

• Способность безопасно поглощать до 40 А при электрически быстрых переходных процессах и 5 А при ударе молнии.
• Способность противостоять электростатическому разряду ± 30 кВ по воздуху или при прямом контакте.
• Максимально низкий ток утечки 0,5 мкА в цепях 5 В
• Компактный корпус 0201 для поверхностного монтажа

Обязательно защитите линии передачи данных от скачков напряжения, которые могут нарушить передачу данных. Рассмотрим 4-канальную диодную матрицу TVS для защиты линии передачи данных.

Диодные массивы, подобные показанному на рисунке 3, обладают следующими возможностями:

• Безопасное поглощение электростатического разряда +22 кВ по воздуху или при прямом контакте, а также от электростатического разряда 10 кВ через воздух или при прямом контакте.
• Минимальное воздействие на линии передачи данных с емкостью 0,3 пФ на контакт относительно земли.
• Низкий ток утечки 10 нА для минимальной нагрузки в цепи.

Таким образом, для полной защиты порта USB 2.0 требуется всего три компонента.

Рисунок 3. 4-канальная диодная матрица TVS с стабилитроном для защиты от переходных напряжений

Защита интерфейса USB 3.2

Как показано на рисунке 2b выше, интерфейс USB 3.2 состоит из линии VBUS и шести линий данных и управления. Используйте те же компоненты, которые рекомендованы для защиты линии VBUS, как описано для интерфейса USB 2.0, от событий перегрузки по току и перенапряжения. Чтобы защитить шесть линий данных от скачков напряжения, рассмотрите возможность использования дискретной диодной матрицы TVS на каждом порте.

Отдельные диодные матрицы TVS могут иметь следующие возможности:

• Безопасное поглощение пикового тока до 40 А в электрически быстрых переходных процессах.
• Защита от электростатических разрядов до ± 18 кВ по воздуху и ± 12 кВ от прямого контакта.
• Низкий ток утечки с максимальным значением 20 нА.
• Низкая емкость вывода 0,09 пФ, которая не нарушает целостность сигнала.

Использование отдельных TVS-диодов обеспечивает лучшую защиту высокоскоростного USB-порта с компонентами с меньшей емкостью для минимального воздействия на пропускную способность передачи данных.

Защита высокоскоростных интерфейсов USB 3.2 и USB 4.0 с помощью версий Power Delivery

Версии USB 3.2 Gen 2x1 и выше требуют использования разъема Type-C. Как видно из рисунка 1, разъем Type-C представляет собой разъем высокой плотности. В результате разъем Type-C может быть подвержен резистивному короткому замыканию между контактами из-за пыли и грязи, которые могут попасть в разъем.

При мощности до 100 Вт на выводах питания всегда присутствует возможность повреждения разъема и связанных с ним схем. Защитите разъем USB Type-C от нагрева, связанного с резистивным повреждением, с помощью цифрового индикатора температуры на линии канала конфигурации (CC), как показано на рисунке 4.

Рисунок 4. Рекомендуемые компоненты защиты для интерфейсов USB 3.2 и USB 4.0 Type-C

Благодаря цифровому индикатору температуры на линии CC он может обеспечить точную защиту при любых условиях питания, от самого низкого уровня, такого как 5 Вт, до максимальной мощности USB-C, 100 Вт. Дополнительные сведения о реализации этой функции тепловой защиты см. В стандарте USB Type-C.

Для защиты от переходных процессов рассмотрите возможность использования различных версий диодных матриц TVS. Выберите матрицу TVS-диодов для линий SuperSpeed ​​с наименьшей емкостью. Сохраняйте низкое энергопотребление, выбирая матрицы TVS-диодов с низким током утечки, особенно для линий VBUS.

Если ваш продукт будет использоваться в автомобильной промышленности, выбирайте диодные матрицы TVS, которые соответствуют требованиям AEC-Q101 (Аттестация стресс-тестов Совета автомобильной электроники на основе механизма отказа для дискретных полупроводников).

Защита интерфейсов HDMI, DisplayPort и eSATA

Аналогичная схема защиты рекомендуется для интерфейсных портов High Definition Multimedia Interface (HDMI), DisplayPort и eSATA, поэтому эти три интерфейса рассматриваются вместе. HDMI объединяет видео высокой четкости и цифровой звук с контроллера дисплея на устройство отображения видео или аудиоустройство. HDMI известен как стандарт телевидения высокой четкости де-факто. Интерфейс HDMI используется в продуктах с 2004 года. Сейчас он имеет версию 2.1 и может передавать данные с максимальной скоростью 48 Гбит / с.

Интерфейс DisplayPort предназначен для передачи видеоданных от источника видеосигнала на устройство отображения, такое как монитор ПК. Этот интерфейс, который может передавать аудио и видео одновременно, заменяет стандарт VGA. DisplayPort был впервые представлен в 2006 году. Версия 2.0 с целевой скоростью передачи данных 77 Гбит / с, как ожидается, будет завершена в конце этого года. Этот интерфейс совместим с интерфейсом HDMI. Ассоциация стандартов видеоэлектроники поддерживает стандарт DisplayPort.

Интерфейс Serial Advanced Technology Attachment (SATA), первоначально разработанный IBM в параллельном формате для IBM AT PC, определяет интерфейс, который в настоящее время является отраслевым стандартом для дисковых накопителей. Стандарт внешнего SATA (eSATA) был разработан в 2004 году для создания надежного соединения для подключения внешних жестких дисков.

Для защиты этих трех интерфейсов, показанных на рисунке 5, от разрушительных переходных процессов может потребоваться один компонентный тип - четырехлинейная матрица TVS-диодов.

Рисунок 5. Рекомендуемая защита для интерфейсов HDMI, DisplayPort и eSATA

На рисунке 6 показана конфигурация 4-строчной диодной матрицы TVS.

Рисунок 6. TVS-диодная матрица для подавления скачков напряжения на четырех высокоскоростных линиях передачи данных

Предлагаются диодные матрицы TVS, такие как 4-строчные:

• Сверхнизкая емкость 0,2 пФ, которая незначительно влияет на глазковую диаграмму передачи.
• Ток утечки 25 нА для минимального энергопотребления.
• Защита от электростатических разрядов до ± 20 кВ через воздушную или прямую контактную передачу.
• Упаковка SOD 883 для экономии места на печатной плате и уменьшения сложности компоновки трасс.

Защита портов повышает устойчивость и надежность продукта

Защита интерфейсов передачи включает в себя выбор компонентов, которые обеспечивают защиту цепи без ущерба для передаваемых сигналов. К счастью, требуется не так много компонентов. Однако необходимо учитывать широкий спектр компонентов.

Воспользуйтесь опытом производителя при разработке и выборе компонентов защиты, чтобы сэкономить драгоценное время на разработку. Производитель может посоветовать экономичные решения. Защита вашей конструкции от токовых перегрузок и скачков напряжения приведет к созданию прочной и надежной конструкции, которая повысит репутацию вашего продукта на рынке и снизит затраты на гарантийное обслуживание.

Дополнительные ссылки

Чтобы узнать больше, загрузите следующие руководства, любезно предоставленные Littelfuse, Inc.

• Руководство по выбору средств защиты цепей
• Littelfuse setP ™ Руководство по проектированию и установке
• Руководство по проектированию защиты от электростатического разряда.

Отраслевые статьи - это форма контента, позволяющая отраслевым партнерам делиться полезными новостями, сообщениями и технологиями с читателями All About Circuits, что не подходит для редакционного контента. Все отраслевые статьи подлежат строгим редакционным правилам с целью предлагать читателям полезные новости, технические знания или истории. Точки зрения и мнения, выраженные в отраслевых статьях, принадлежат партнеру, а не обязательно All About Circuits или ее авторам.