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USB-C Power Delivery exige mejorar la protección de las líneas de datos

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Figura 1. Una cámara digital conectada a una tablet a través de un cable USB-C.

Tanto USB-C como USB-C PD aumentan los niveles de voltaje y potencia. Un nuevo conector reversible con un paso menor que el de USB Micro-B, aumenta el riesgo de cortocircuitos. Esto, junto con la mayor complejidad de los dispositivos portátiles, lleva a la necesidad de mejorar los requerimientos de las protecciones de ESD, transitorios y protección contra sobretensiones.  En esta solución de diseño, proponemos un compacto CI de protección, con todas las funciones que permitirá una lista de materiales más reducida y ocupar menos espacio de PCB.

Introducción USB-C

La especificación de cable y conector USB Tipo-C® (USB-C) simplifica drásticamente la forma en que conectamos y alimentamos nuestros dispositivos electrónicos, como cámaras digitales y tablets  (Figura 1). La especificación admite carga por USB-C de hasta 15 W, mientras que USB-C power delivery (PD), extiende la carga hasta 100 W, lo que incluye una amplia variedad de dispositivos diferentes que se pueden cargar indistintamente. Con USB Tipo-C vienen nuevos desafíos en la protección del sistema. El nuevo conector tiene un paso más pequeño que el del USB Micro-B, lo que lleva a un mayor riesgo de cortocircuitos mecánicos a VBUS. Además, debido al mayor voltaje del USB PD, se necesitan protecciones más robustas. Y, por último, la cada vez mayor complejidad de las cargas exige una mayor protección contra ESD y transitorios.  Esta solución de diseño revisa la arquitectura USB Tipo-C PD y los desafíos asociados con la protección de la señal de datos D+/ D-.  A continuación, se propone un conmutador 2 x SPDT altamente integrado que permite abordar estos desafíos con mínimo número de componentes y espacio en la PCB.

Sistema USB-C PD

La Figura 2 ilustra el front-end de un dispositivo portátil alimentado por una batería de iones de litio (Li+) preparado para ser conectado por USB-C.

Cuando VBUS está presente, alimenta el cargador, el sistema y el resto de los bloques. En esta fase, la batería se carga. Cuando se desconecta el VBUS, la batería alimenta el sistema. Con el cable USB-C, los pines CC1 y CC2 determinan la conexión del puerto, la orientación del cable, la detección de roles y el control del puerto. Las líneas D+/D- son las líneas de comunicación USB-C estándar que manejan datos con una velocidad de 480Mbps y están protegidas por el dispositivo de protección D+/D. El controlador PD implementa el protocolo de entrega de energía.

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Figura 2. Sistema de gestión de energía USB PD.

El desafío de la protección

Los transitorios y las descargas electrostáticas (ESD) en una fuente de alimentación son comunes y pueden interferir o causar daños a las cargas y equipos electrónicos.  La ESD es causada por la transferencia de carga eléctrica estática de un cuerpo a un circuito electrónico y es una gran preocupación para la electrónica portátil. Las sobretensiones y transitorios pueden ser causadas por rayos o inducidas en cables largos colocados cerca de rayos.  Los switches o relés pueden causar sobretensiones durante su operación de encendido y apagado. Y un volcado de carga (load dump) es un transitorio generado por cortar la conexión de la batería en un automóvil.  Un buen CI de protección de línea de datos debe ofrecer una protección adecuada sin degradar significativamente los datos.

Solución integrada

Como ejemplo, el MAX20334 es un switch 2 x SPDT con protección contra sobretensión destinado a dispositivos portátiles (Figura 3). Está diseñado para proteger la línea de datos en caso de un evento de cortocircuito, ESD o transitorio de alto voltaje. El dispositivo combina baja capacidad y resistencia de encendido, necesario para lograr conmutación de alto rendimiento en electrónica portátil. El CI cuenta con protección interna contra sobretensiones positivas y transitorios. El dispositivo maneja la señalización low/full/high-speed y funciona con alimentación de 2.7V a 5.5V. El CI está disponible en encapsulados de 1,23 mm x 1,63 mm y funciona en el rango de temperatura extendido de -40°C a +85°C.

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Figura 3. Switch 2 x SPDT con protección extendida.

Protección extendida

Las protecciones ESD se incorporan en todos los pines para proteger contra descargas electrostáticas de hasta ±2kV (Human Body Model) encontradas durante la manipulación y el montaje. COMA y COMB (Figuras 2 y 3) están protegidos contra ESD hasta ±15kV (Human Body Model), ±15kV (Air Gap Discharge method descrito en IEC 61000-4-2) y ±8kV (Contact Discharge method descrito en IEC61000-4-2) sin provocar daños. Las protecciones ESD soportan una ESD elevada, tanto en funcionamiento normal como cuando el dispositivo está apagado. Después de un evento ESD, el IC continúa funcionando sin latch-up. El IC está protegido contra transitorios de -30V a +45V (IEC61000-4-5) y contra sobretensión hasta +20.5V.

La Figura 4 compara el diseño de PCB de esta solución de protección altamente integrada con el típico dispositivo de la competencia que ofrece protección contra sobretensiones positivas y menores protecciones de sobrevoltaje y ESD. Este último requerirá circuitos adicionales para cumplir con las especificaciones ESD/Transitorio/Sobrevoltaje, lo que llevará a una lista de materiales más costosa y una ocupación de área activa de PCB 5 veces mayor.

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Figura 4. Ventaja de protección extendida.

Integridad de los datos

El diagrama de ojos de la Figura 5 muestra de un vistazo el buen nivel de integridad de las señales de datos, ya que las líneas azules mantienen una distancia cercana a la máxima de la zona prohibida (zona roja). El amplio ancho de banda del CI de protección provoca una ralentización mínima de los tiempos de subida y bajada de la señal y del jitter, lo que resulta en un buen margen de error, importante para pasar los tests exigidos por USB.

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Figura 5. Diagrama de ojos D+/D-

Conclusión

El USB Tipo-C trae nuevos desafíos en la interconexión, alimentación y protección de nuestros dispositivos electrónicos, tales como cámaras digitales y tablets. El nuevo conector tiene un paso más pequeño que el del USB Micro-B, lo que aumenta el riesgo de cortocircuitos mecánicos. Además, debido a los altos voltajes asociados con USB PD, se necesitan protecciones más robustas. Y, por último, la complejidad cada vez mayor de las cargas exige una mayor protección contra ESD y sobretensiones. En esta solución de diseño, demostramos que un dispositivo de protección mejorado con protección ESD de hasta ±15 kV, protección contra transitorios de -30V a +45V y protección contra sobretensiones de +20,5 V puede proteger por sí solo las líneas de datos y, en comparación con los dispositivos menos integrados, cumplir con las especificaciones con una lista de materiales menor y una ocupación menor del área activa de PCB.

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