Zabezpieczenia ESD dla USB 3.1 i USB Typu C

19.04.2016

Zabezpieczenia ESD dla USB 3.1 i USB Typu C

Standard USB (Universal Serial Bus) został opracowany w latach 90., aby ujednolicić połączenia między komputerami i urządzeniami peryferyjnymi, zarówno pod względem komunikacji, jak i zasilania. USB zastąpił wcześniejsze interfejsy, takie jak porty szeregowe i równoległe, PS/2 oraz osobne ładowarki dla urządzeń przenośnych. μ

Standard USB obejmuje trzy rozmiary złączy – standardowe, mini oraz micro, trzy rodzaje złącz „A”, „B”, „AB”, a także odpowiednie gniazda oraz 5 trybów transferu przedstawionych w tabeli 1:

Tabela 1. Tryby transferu USB

Standard USB 3.1 Gen 2 to właściwie USB 3.0 z podwojoną szybkością transferu – do 10 Gbit/s. Komunikacja przebiega w trybie full duplex. Złącza nie są symetryczne, co oznacza, że wtyczka i gniazdo muszą być odpowiednio ustawione, aby można było je połączyć. Całkowita pojemność kabla to od 0,1 do 0,5 pF.

USB Typu C

USB typu C ma przepustowość do 10 Gbit/s, a wtyczki są symetryczne (podobnie do interfejsu Apple Lightning) i mają 24 piny. Dodatkowe piny pozwalają na obsługę protokołów danych, takich jak DisplayPort 1.3, PCI Express oraz Ethernet Base-T. Rysunek 1. przedstawia schemat wyprowadzeń przewodu USB typu C.

Złącze i gniazdo USB typu C są mniejsze (zbliżone do Micro-sub i Lightning). Jednocześnie są trwalsze i wytrzymują 10.000 cykli podłączenia i odłączenia. Przewody pozwalają na dostarczenie mocy do 100 W w trybie zasilania USB, co pozwala szybko ładować tablety i smartfony. Urządzenia, które obecnie obsługują przewody USB typu C to m.in. Apple MacBook (2015), Google Chromebook Pixel, tablet Nokia N1, niektóre smartfony (OnePlus 2, Le Superphone), a także dyski przenośne firm LaCie i SanDisk.

Rys. 1. Schemat wyprowadzeń USB typu C

Zabezpieczenia ESD firmy Comchip

Firma Comchip oferuje wiele zabezpieczeń przed wyładowaniami elektrostatycznymi (ESD) o niskiej pojemności, przeznaczonych do ochrony portów USB. Części rekomendowane dla USB 3.0 są wymienione w tabeli 2, natomiast proponowane schematy PCB przedstawiono na rys. 2 oraz 3. Proponowane elementy i schematy dla płytek USB 3.1 są przedstawione na rys. 4 i 5. Zalecane elementy dla USB typu C są wymienione w tabeli 3, a proponowany schemat PCB przejściówki widać na rysunku 6.

Tabela 2. Rekomendowane elementy dla USB 3.0

USB 2.0 D+, D- (linie danych USB 2.0 i 3.0 są obsługiwane tak samo)

Part Number	VRWM	IR (Max)	VC	Cj	ESD (Contact)	Package
CPDQR5V0USP-HF	5 V	1 μA	13 V	0.6 pF	±8 KV	0402 1-Line/Uni
CPDQ5V0USP-HF	5 V	1 μA	13 V	0.6 pF	±8 KV	0402 1-Line/Uni
CPDQC5V0USP-HF	5 V	1 μA	13 V	0.6 pF	±8 KV	0402C 1-Line/Uni
CPDU5V0USP-HF	5 V	1 μA	9.8 V	0.5 pF	±10 KV	0603 1-Line/Uni
CPDUC5V0USP-HF	5 V	1 μA	9.8 V	0.5 pF	±10 KV	0603C 1-Line/Uni
CPDT-5V0UP-HF	5 V	1 μA	12 V	0.6 pF	±10 KV	SOT-23 2-Line/Uni

USB 3.0 Tx, Rx

Part Number	VRWM	IR (Max)	VC	Cj	ESD (Contact)	Package
CPDQC5V0CSP-HF	5 V	100 A	15 V	0.3 pF	±8 KV	0402C 1-Line/Bi
CPDQC5V0USP-IPHF	5 V	100 nA	12 V	0.3 pF	±10 KV	0402C 1-Line/Uni
CPDA10R5V0P-HF	5 V	50 nA	9 V	0.25 pF	±18 KV	DFN10P 4-Line/Uni

VBUS 5V

Part Number	VRWM	IR (Max)	VC	Cj	ESD (Contact)	Package
CPDQC5V0R-HF	5 V	90 nA	8 V	24 pF	±30 KV	0402C 1-Line/Bi
CPDUR5V0R-HF	5 V	90 nA	8 V	24 pF	±30 KV	0603 1-Line/Bi
CPDUC5V0R-HF	5 V	90 nA	8 V	24 pF	±30 KV	0603C 1-Line/Bi
CPDQR5V0HE-HF	5 V	1 μA	11 V	15 pF	±30 KV	0402 1-Line/Bi
CPDQC5V0HE-HF	5 V	1 μA	11 V	15 pF	±30 KV	0402C 1-Line/Bi
CPDUR5V0HE-HF	5 V	1 μA	11 V	15 pF	±30 KV	0603 1-Line/Bi

Rys. 2. Proponowany schemat PCB dla USB 3.0 wykorzystujący trzy elementy

Rys. 3. Proponowany schemat PCB dla USB 3.0 wykorzystujący dwa elementy

Złącze USB 3.1 typu A jest zbliżone do USB 3.0 typu A pod względem wymaganych zabezpieczeń przed wyładowaniami elektromagnetycznymi. Proponowane schematy PCB są takie same, choć zalecana jest mniejsza pojemność. Proponowane schematy dla USB 3.1 są widoczne na rys. 4 i 5.

Rys. 4. Proponowany schemat PCB dla USB 3.1 wykorzystujący trzy elementy

Rys. 5. Proponowany schemat PCB dla USB 3.1 wykorzystujący dwa elementy

Zabezpieczenia USB-C

USB typu C osiąga przepustowość do 10 Gbit/s, zatem ochrona przed wyładowaniami elektrostatycznymi musi uwzględniać użycie dodatkowych pojemności i indukcyjności w sąsiedztwie linii symetrycznej wysokiej szybkości. Ze względu na niesymetryczny kształt złącza USB typu C, wymaga ono silniejszej ochrony przed wyładowaniami.

W takim przypadku projekt przejściówki zastosowany w obudowie DFN10P opracowanej przez Comchip pozwala uprościć projekt PCB. Umieszczenie obudowy nad parą różnicową wysokiej szybkości pozwala uniknąć skomplikowanego układu przelotek i pętli, a także oszczędzić powierzchnię płytki PCB. Zalecane elementy dla USB typu C wymieniono w tabeli 3, a proponowany schemat PCB zaprezentowano na rysunku 6.

Tabela 3. Zalecane elementy dla USB typu C

Part Number	VRWM	IR (Max)	VC	Cj	ESD (Contact)	Package
CPDA10R5V0P-HF	5 V	50 nA	11 V	0.25 pF	±14 KV	DFN10P 4-Line/Bi
CPDA10R5V0SP-HF	5 V	50 nA	12 V	0.15 pF	±14 KV	DFN10P 4-Line/Bi