Würth Elektronik eiSos Das USB-Interface aus EMV-Sicht

Bild 1: Die symmetrische Schnittstelle mit ihren messbaren Störpotentialen

EMV ohne Filter ist in der heutigen Schaltungstechnik nicht mehr möglich. Welche Komponenten wichtig sind und worauf beim EMV-gerechten Schaltungsdesign zu achten ist, beleuchten die Experten von Würth Elektronik eiSos anhand des Beispiels der USB-2.0-Schnittstelle.

Von Heinz Zenkner, Würth Elektronik eiSos

Der USB (Universal Serial Bus) ist ein differentieller, bidirektionaler, serieller Kabelbus, bei dem das differentielle NRZI-Signal asynchron zwischen den Ports übertragen wird. Bei hohen Datenübertragungsraten ist es nötig, die symmetrischen Leitungspärchen mit einem 45-Ω-Abschlusswiderstand jeweils nach Masse abzuschließen. Die Kabelimpedanz muss hier 90 Ω ±15 % (symmetrisch/differential) betragen.

Doch was hat nun EMV mit der USB-Schnittstelle zu tun? Auf den Punkt gebracht: EMV = gesicherte Funktionalität. Dabei ist EMV nicht nur „nice to have“, um gesetzliche Anforderungen für die Konformitätserklärung zu erfüllen. EMV im Beispiel des USB bedeutet:

• Niedrige Störstrahlung: Eine gut angepasste symmetrische Schnittstelle mit optimierten Filtern strahlt nicht. Das Nutzsignal hat durch die Anpassung die erforderliche Güte, damit erreichen wir auch den erforderlichen Signal/Störabstand und eine höhere Störfestigkeit.

• Hohe Störfestigkeit: Durch die Symmetrisierung des Nutzsignals über zusätzliche Filter mit Überspannungsschutz und dem Einsatz von Schnittstellenbuchsen mit hoher Schirmdämpfung – mit entsprechendem konstruktiv hochwertigem (nicht teurem) Gehäusedesign – wird die Störfestigkeit gegen Transienten und andere induktiv und kapazitiv einkoppelnden Störsignale entscheidend erhöht und damit die Funktionalität gewährleistet.

Zu den kritischen EMV-Phänomenen, die bei der Entwicklung eines Produktes mit USB zu berücksichtigen sind, zählen Störemission (Störfeldstärke), Störfestigkeit gegen Elektrostatische Entladung (ESD) und Störfestigkeit gegen schnelle Transiente (Burst). Die Funktionalität muss immer sichergestellt sein, und die Erfahrung zeigt: Passt es mit der Funktionalität, passt auch die EMV – unabhängig vom Anwendungsgebiet.

EMV-Schaltungskonzepte
 
Symmetrische Übertragungsverfahren haben zahlreiche Vorteile hinsichtlich Signalintegrität, was sich in geringer Störemission und hoher Störfestigkeit zeigt (s. Bild 1). Messbar sind:

a) USym: Störspannung zwischen den Signaladern,

b) UAsym: Störspannung zwischen der Potentialmitte und dem Referenzpotential – der Masse bzw. dem Kabelschirm.

Das bedeutet, die USB-Übertragungsstrecke kann sowohl mit symmetrischen als auch mit asymmetrischen Störpotentialen behaftet sein. Das können Störpotentiale von der Schnittstelle selbst sein – dann sprechen wir von Störabstrahlung oder -emission –, oder es kann eine elektromagnetische Einwirkung von außen in Form von induktiver, kapazitiver oder Wellenkopplung sein, in diesem Falle sprechen wir von Störeinkopplung, was eine gewisse Störimmunität der Schnittstelle voraussetzt, um eine weitere Funktion aufrecht zu erhalten.

Die Praxis zeigt, dass sich die Störemission meist nicht verhindern lässt, und auch die Störfestigkeit ihre – manchmal sehr niedrige - Grenze hat. Viele Aspekte sind nicht beeinflussbar, dazu gehören die technische Realisierung des USB-Controllers und die Verwendung „billiger“ USB-Kabel. Präventivmaßnahmen sind nötig, um die Schnittstelle vor Fremdstörungen zu schützen, die zur Zerstörung des USB-Controllers führen können und um die Störabstrahlung von Signalen über das Kabel zu begrenzen.