Sowohl USB-C als auch USB-C PD steigern Spannung und Leistungspegel. Ein neuer reversibler Stecker mit kleinerem Raster als USB Micro-B erhöht das Risiko von Kurzschlüssen. Zusammen mit der zunehmenden Komplexität tragbarer Geräte führt dies dazu, dass die Anforderungen an ESD-Schutz, Transienten- und Überspannungsschutz verbessert werden müssen. In dieser Designlösung schlagen wir einen kompakten Schutz-IC mit vollem Funktionsumfang vor, der eine kürzere Stückliste ermöglicht und weniger Platz auf der Leiterplatte beansprucht.
USB-C-Einführung
Der USB Type-C® (USB-C)-Anschluss und die Kabelspezifikation vereinfachen die Art und Weise, wie wir unsere elektronischen Geräte wie Digitalkameras und Tablets anschließen und mit Strom versorgen, erheblich (Abbildung 1). Die Spezifikation unterstützt das Aufladen über USB-C bis zu 15 W, während die Stromversorgung über USB-C (PD) das Aufladen auf bis zu 100 W erweitert, einschließlich einer Vielzahl verschiedener Geräte, die austauschbar aufgeladen werden können. Mit USB Type-C kommen neue Herausforderungen beim Systemschutz. Der neue Anschluss hat einen kleineren Abstand als USB Micro-B, was zu einem höheren Risiko mechanischer Kurzschlüsse zu VBUS führt. Außerdem sind aufgrund der höheren Spannung von USB PD robustere Schutzmaßnahmen erforderlich. Und schließlich erfordert die zunehmende Komplexität der Lasten einen besseren Schutz vor ESD und Transienten. Diese Designlösung überprüft die USB Type-C PD-Architektur und die Herausforderungen im Zusammenhang mit dem D+/D- Datensignalschutz. Als nächstes wird ein hochintegrierter 2 x SPDT-Schalter vorgeschlagen, der es ermöglicht, diese Herausforderungen mit minimaler Anzahl von Komponenten und minimalem Platz auf der Leiterplatte zu bewältigen.
USB-C PD-System
La Abbildung 2 Veranschaulicht das Front-End eines tragbaren Geräts, das von einem Lithium-Ionen-Akku (Li+) gespeist wird und bereit ist, über USB-C angeschlossen zu werden.
Wenn VBUS vorhanden ist, versorgt es den Loader, das System und den Rest der Blöcke mit Strom. In dieser Phase wird die Batterie geladen. Wenn der VBUS getrennt ist, versorgt die Batterie das System mit Strom. Beim USB-C-Kabel bestimmen die Pins CC1 und CC2 die Anschlussverbindung, die Kabelausrichtung, die Rollenerkennung und die Anschlusssteuerung. Die D+/D-Leitungen sind die Standard-USB-C-Kommunikationsleitungen, die Daten mit einer Geschwindigkeit von 480 Mbit/s verarbeiten und durch das D+/D-Schutzgerät geschützt sind. Der PD-Controller implementiert das Power-Delivery-Protokoll.
Die Schutzherausforderung
Elektrostatische Entladungen (ESD) und Transienten an einer Stromversorgung sind üblich und können Lasten und elektronische Geräte stören oder beschädigen. ESD wird durch die Übertragung statischer elektrischer Ladung von einem Körper auf eine elektronische Schaltung verursacht und ist ein Hauptanliegen für tragbare Elektronik. Überspannungen und Transienten können durch Blitze verursacht oder in langen Kabeln in der Nähe von Blitzen induziert werden. Schalter oder Relais können während ihres Ein- und Ausschaltvorgangs Überspannungen verursachen. Und ein Lastabwurf ist eine Transiente, die durch das Trennen der Batterieverbindung in einem Auto erzeugt wird. Ein guter Datenleitungsschutz-IC sollte angemessenen Schutz bieten, ohne die Daten wesentlich zu beeinträchtigen.
integrierte Lösung
Als Beispiel die MAX20334 ist ein 2 x SPDT-Schalter mit Überspannungsschutz für tragbare Geräte (Abbildung 3). Es wurde entwickelt, um die Datenleitung im Falle eines Kurzschlusses, einer elektrostatischen Entladung oder eines transienten Hochspannungsereignisses zu schützen. Das Gerät kombiniert eine niedrige Kapazität und einen Einschaltwiderstand, was notwendig ist, um eine Hochleistungsschaltung in tragbarer Elektronik zu erreichen. Der IC verfügt über einen internen Schutz gegen positive und transiente Überspannungen. Das Gerät verarbeitet Low-/Full-/High-Speed-Signale und wird mit 2.7 V bis 5.5 V betrieben. Der IC ist in 1,23 mm x 1,63 mm großen Gehäusen erhältlich und arbeitet im erweiterten Temperaturbereich von -40 °C bis +85 °C.
erweiterter Schutz
Alle Stifte sind mit ESD-Schutz ausgestattet, um vor elektrostatischen Entladungen bis zu ±2 kV (Human Body Model) zu schützen, die während der Handhabung und Montage auftreten. COMA und COMB (Abbildungen 2 und 3) sind ESD-geschützt bis zu ±15 kV (Human Body Model), ±15 kV (Luftspaltentladungsmethode, beschrieben in IEC 61000-4-2) und ±8 kV (Kontaktentladungsmethode, beschrieben in IEC61000-4). -2) ohne Schaden zu verursachen. ESD-Schutz unterstützt hohe ESD, sowohl im Normalbetrieb als auch bei ausgeschaltetem Gerät. Nach einem ESD-Ereignis funktioniert der IC ohne Latch-up weiter. Der IC ist gegen Transienten von -30 V bis +45 V (IEC61000-4-5) und gegen Überspannung bis +20.5 V geschützt.
La Abbildung 4 vergleicht das PCB-Design dieser hochintegrierten Schutzlösung mit einem typischen Wettbewerbsgerät, das einen positiven Überspannungsschutz und einen geringeren Überspannungs- und ESD-Schutz bietet. Letzteres erfordert zusätzliche Schaltkreise, um die ESD-/Transienten-/Surge-Spezifikationen zu erfüllen, was zu einer teureren Stückliste und einer 5-mal höheren Fläche der aktiven PCB-Fläche führt.
Datenintegrität
Das Diagramm der Augen Abbildung 5 zeigt auf einen Blick die gute Integrität der Datensignale, da die blauen Linien einen Abstand nahe dem Maximum der verbotenen Zone (rote Zone) einhalten. Die große Bandbreite des Schutz-ICs verursacht eine minimale Verlangsamung der Anstiegs- und Abfallzeiten des Signals und Jitter, was zu einer guten Fehlerspanne führt, was wichtig ist, um die von USB geforderten Tests zu bestehen.
Fazit
USB Type-C bringt neue Herausforderungen bei der Verbindung, Stromversorgung und dem Schutz unserer elektronischen Geräte wie Digitalkameras und Tablets mit sich. Der neue Stecker hat einen kleineren Raster als USB Micro-B, was das Risiko mechanischer Kurzschlüsse erhöht. Aufgrund der mit USB PD verbundenen hohen Spannungen sind robustere Schutzmaßnahmen erforderlich. Und schließlich erfordert die zunehmende Komplexität der Lasten einen höheren Schutz vor ESD und Überspannungen. In dieser Designlösung zeigen wir, dass ein verbessertes Schutzgerät mit ESD-Schutz bis zu ±15 kV, Überspannungsschutz von -30 V bis +45 V und Überspannungsschutz von +20,5 V allein Datenleitungen schützen kann und im Vergleich zu weniger integrierten Geräten , erfüllen die Spezifikationen mit einer kleineren Stückliste und einem kleineren Fußabdruck der aktiven PCB-Fläche.
