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USB-Stecker und EMV

Filtern und schützen des USB 3.1

6. April 2020, 13:52 Uhr | Von Robert Schillinger, Field Application Engineer, und Dr. Richard Blakey, Application Engineer, beide bei Würth Elektronik eiSos

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Fortsetzung des Artikels von Teil 1

Filterung der SuperSpeed+-Kanäle

Die stromkompensierten Drosseln der Serie „WE-CNSW HF“ sind das Herz des Datenleitungsfilters. Aufgrund ihrer Wickeltechnologie weisen diese Drosseln eine hohe Symmetrie und geringe parasitäre Kapazitäten auf.

Gleichtaktrauschen tritt auf, wenn sich die gleichen Interferenzkomponenten in der gleichen Richtung auf den positiven und negativen Leitungen in Bezug auf Masse ausbreiten. Dies ist immer der Fall bei kapazitiver oder induktiver Kopplung an der Schaltung oder deren Leiterbahnen. Daher muss diese Impedanz-Komponente so hoch wie möglich sein. Bei 100 MHz hat die Gleichtaktdrossel (Common Mode Choke, CMC) etwa 60 Ω. Die Gegentaktimpedanz tritt aufgrund der Streuinduktivität der Wicklungsstruktur auf. Diese Impedanz muss bei der Datenfrequenz so klein wie möglich sein.

Das Einschließen der Kapazität in den Filter bildet einen Tiefpassfilter zweiter Ordnung. Ein Dioden-Array wird hier anstelle von Kondensatoren verwendet. Die integrierten Dioden haben auch eine parasitäre Kapazität, die effektiv genutzt werden kann. Außerdem ist die parasitäre Induktivität der TVS-Dioden in der Anordnung sehr niedrig. Das ist notwendig, um eine kurze Ansprechzeit für die Überspannungstransienten zu erreichen. Daher wird ein nahezu idealer Kondensator mit einem effektiven Überspannungsschutz kombiniert.

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Die Messung

Der Messaufbau wurde mit 1 m Kabel und dem Typ-C-Dongle über ein Messanordnung mit dem Analyser verbunden. Die jeweiligen Augendiagramme wurden bei 5 Gbit/s aufgenommen. Bild 3 zeigt den Verlauf der differenziellen Impedanz Zdiff in einer Zeitbe-
reichsdarstellung (TDR):

In Bild 3 oben erkennt man gut die etwas zu hohe Leiterplattenimpedanz, die durch eine Pool-Leiterplatte ohne impedanzkontrollierte Fertigung entstanden ist. Wenn Komponenten zur Leiterplatte hinzugefügt werden, kann der Effekt auf das Signal beobachtet werden. Die graue Line entspricht der Messung einer unbestückten PCB. Die zweite Messung enthält die CMC, die dritte Messung die TVS-Dioden und die vierte Messung zeigt den Effekt mit geschlossener Lötstoppmaske.

Als Basis für die Messung bei 10 Gbit/s dient der Adapter mit allen Komponenten und Lötstopplack. Der Empfänger kann das Auge mit den USB-Equalizer-Einstellungen basierend auf der USB-3.1-r1.0-Spezifikation sauber öffnen. Damit ist eine Übertragung mit allen Schutzkomponenten und Steckverbindern gut möglich. Mit optimierten Komponenten lassen sich also im Voraus bessere Ergebnisse erzielen und somit die Reichweite erhöhen.

Interface Design Kit

Um das Design von Schnittstellen zu erleichtern, bietet Würth Elektronik ein dediziertes Interface Design Kit an. Dieses Design Kit enthält eine Designanleitung für USB 2.0 zu USB 3.1, HDMI, CAN, Ethernet (100BASE-T und 1000BASE-T), VGA, DVI, RS-232 und RS-485 und alle verwendeten Komponenten. Dazu gehören ESD-Entstörelemente, SMD-Gleichtaktdrosseln, SMD-Ferrite, LAN-Übertrager und die entsprechenden Steckverbinder.