Protect your Ports - Designtipps Teil 2

Schutz von Hochgeschwindigkeitsschnittstellen

20. Juli 2022, 8:00 Uhr | Von Todd Phillips, Global Market Manager, Electronic Business Unit, Littelfuse, Inc.
Abbildung 1. USB-Stecker für die verschiedenen USB-Standards
USB-Stecker für die verschiedenen USB-Standards
© Littlefuse

Für zuverlässige Kommunikationssysteme müssen die Entwickler die Auswirkungen der äußeren Umgebung auf ihre Datenanschlüsse berücksichtigen. In einer dreiteiligen Serie gibt Littlefuse Designtipps für Schutzmaßnahmen für Datenports. Teil 2: Schutz von Hochgeschwindigkeitsschnittstellen.

Es gibt zahlreiche Kommunikationsschaltungen und -protokolle für ein breites Spektrum von Anwendungen. Da diese Schaltungen Daten zwischen verschiedenen Geräten übertragen und empfangen, sind die Ports der Schnittstellen externen Gefahren für ihre Schaltkreise ausgesetzt. Dazu zählen Stromüberlastungen und Spannungstransienten durch Blitzschlag, schnelle elektrische Transienten (EFT) und elektrostatische Entladung (ESD). Diese Schaltkreise müssen vor dadurch verursachten Schäden geschützt werden – ohne das Übertragungsprotokoll der Schnittstelle zu beeinträchtigen. So sind geeignete Schutzmechanismen zu implementieren, damit die Kommunikationsschaltungen zuverlässig unverfälschte Daten übertragen. Der Empfänger muss die Informationen korrekt erkennen und dekodieren, damit die ursprünglichen Daten vollständig wiederhergestellt werden.

Dieser Artikel ist der zweite einer Serie über den Schutz von Kommunikationsschnittstellen. Im ersten Artikel wurden Lösungen zum Schutz der Ports von Power-over-Ethernet-Schnittstellen vorgestellt. In diesem Artikel gibt es Empfehlungen für Elektronikentwickler zum Schutz von Hochgeschwindigkeitsschnittstellen, ohne dabei die Sende-/Empfangsleistung zu beeinträchtigen und trotzdem die Größenvorgaben des Produkts einzuhalten.

Dabei geht es um vier Kommunikationsprotokolle: die USB-Standards (Universal Serial Bus), die immer höhere Übertragungsgeschwindigkeiten unterstützen, das High Definition Multimedia Interface (HDMI), die DisplayPort-Schnittstelle und das External Serial Advanced Technology Attachment (eSATA). Den Einsatzbereich dieser Standards und ihre derzeitigen maximalen Bandbreiten beschreibt Tabelle 1.

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Tabelle 1. Kommunikationsprotokolle, Funktion und maximale Datenrate
Tabelle 1. Kommunikationsprotokolle, Funktion und maximale Datenrate
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USB-Schnittstellen

PCs, Computerperipheriegeräte, elektronische Prüf- und Messgeräte und zahlreiche andere Produkte enthalten USB-Anschlüsse. Die USB-Schnittstelle ermöglicht eine einfache und schnelle Verbindung zwischen Computern, intelligenten Geräten und Peripheriegeräten. Sie wurde erstmals 1996 standardisiert und seitdem für höhere Übertragungsgeschwindigkeiten und einer größeren Stromkapazität zum Aufladen batteriebetriebener Geräte weiterentwickelt.

Das USB-Implementers Forum (USB-IF) hat den Standard in vier Hauptversionen aktualisiert.[1] Der kabelgebundene USB-Standard startete mit der Version 1.0 und wurde über die Versionen 2.0 und 3.x bis zur aktuellen Version 4, USB4, weiterentwickelt. Tabelle 2 listet die Versionen von 2.0 bis USB4 auf und zeigt, wie stark sich der maximale Datendurchsatz der einzelnen Versionen gesteigert hat. Dank der unterschiedlichen Datenraten kann ein USB-Anschluss mit Geräten verbunden werden, die von langsamen Tastaturen bis zu Hochgeschwindigkeits-Videogeräten reichen. Entwickler können die Vorteile einer generalisierten Schnittstelle nutzen, bei der die Signalleitungen nicht für eine bestimmte Funktion eines bestimmten Gerätetyps vorgesehen sind. Außerdem können Entwickler USB-Schnittstellen so einrichten, dass sie eine geringe Latenzzeit für zeitkritische Funktionen aufweisen oder große Datenübertragungen im Hintergrund ermöglichen. Darüber hinaus definiert der Standard Power Delivery (PD) Revisionen für die USB-Versionen 1 bis 3. Die PD-Revisionen ermöglichen das Aufladen und die Stromversorgung von Geräten über die USB-Schnittstelle. Die Leistungskapazität wurde von 2,5 W (5 V @ 0,5 A) auf 100 W (20 V @ 5 A) erhöht.

Tabelle 2. Die derzeit aktiv genutzten Versionen der USB-Schnittstelle und ihre maximalen Datenübertragungsraten
Tabelle 2. Die derzeit aktiv genutzten Versionen der USB-Schnittstelle und ihre maximalen Datenübertragungsraten
© Littelfuse

Auch die USB-Stecker wurden weiterentwickelt, um höhere Datenraten und eine bessere Stromversorgung zu gewährleisten. Abbildung 1 zeigt die Stiftkonfigurationen und die relative Größe der verschiedenen Stecker, die für jede USB-Version verwendet werden. Tabelle 3 zeigt die maximale Datenrate, die jeder Stecker erreichen kann.

Abbildung 1. USB-Stecker für die verschiedenen USB-Standards
Abbildung 1. USB-Stecker für die verschiedenen USB-Standards
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Tabelle 3. Maximale Datenraten für USB-Steckertypen
Tabelle 3. Maximale Datenraten für USB-Steckertypen
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Absicherung einer USB 2.0-Schnittstelle

Die USB 2.0-Schnittstelle besteht aus einer VBUS-Stromleitung und zwei Datenleitungen, wie in Abbildung 2 (links oben) dargestellt.  Die VBUS-Leitung, die über die Wechselstromleitung versorgt werden kann, unterliegt Stromüberlastungen und Spannungstransienten, die über die Wechselstromleitung übertragen werden. Zum Schutz vor Überlastung sollte eine rücksetzbare Sicherung auf der VBUS-Leitung installiert werden. Dann wird die Sicherung, nachdem die Überlast behoben ist, zurückgesetzt und der Stromkreis kann weiter funktionieren. Eine PPTC-Sicherung (Polymer Positive Temperature Coefficient) ist eine rücksetzbare Sicherung, deren Widerstand durch die von einem Überlaststrom erzeugte Wärme erheblich ansteigt. Die interne Struktur der PPTC-Sicherung verändert sich während einer Überlast. Das führt zu einem Anstieg des Widerstands. Wenn das Gerät abkühlt, wird die Struktur mit dem niedrigen Widerstand wiederhergestellt. Diese Sicherungen sind für Niederspannungsstromkreise ausgelegt, in denen die maximale Nennspannung üblicherweise 24 V beträgt. Weitere Eigenschaften von PPTC-Sicherungen sind:

Ultra-niedriger Widerstand, der von wenigen mΩ bis etwa 2 Ω reicht, wenn Strom fließt, der unter dem Auslösewert der Sicherung liegt

Breites Spektrum an Nennströmen von 100 mA bis 9 A

Schnelle Auslösezeit

Platzsparende, oberflächenmontierbare Gehäuse in den Größen 0402 bis 2920

UL-Komponenten- und TÜV-Zulassung

Zum Schutz der von der VBUS-Leitung gespeisten Schaltung vor netzinduzierten Transienten und elektrostatischen Entladungen (ESD) sollte ein unidirektionaler TVS-Dioden-Array (Transient Voltage Suppressor) verwendet werden. Versionen dieser Art von Dioden-Array bieten:

Die Fähigkeit zur sicheren Absorption von bis zu 40 A bei einer schnellen elektrischen Transiente und 5 A bei einem Blitzschlag

Die Fähigkeit, einem ±30 kV ESD-Schlag über die Luft oder durch direkten Kontakt zu widerstehen

Sehr niedrigen Ableitstrom von 0,5 µA in 5-V-Schaltungen

Ein platzsparendes 0201-Gehäuse für die Oberflächenmontage

Die Datenleitungen sind vor Spannungsspitzen zu schützen, welche die Datenübertragung beeinträchtigen können. Deshalb sollte zum Schutz der Datenleitungen ein 4-Kanal-TVS-Dioden-Array in Betracht gezogen werden. Dioden-Arrays, wie in Abbildung 3, weisen folgende Funktionen auf:

Sichere Absorption von +22 kV ESD über die Luft oder durch direkten Kontakt und von -10 kV ESD über die Luft oder durch direkten Kontakt

Minimale Auswirkung auf die Datenleitungen mit einer Kapazität von 0,3 pF pro Pin gegen Masse

Niedriger Ableitstrom von 10 nA für minimale Belastung des Schaltkreises

Somit sind nur drei Komponenten erforderlich, um einen USB 2.0-Anschluss vollständig zu schützen.

Absicherung einer USB 3.2-Schnittstelle

Wie in Abbildung 2 (rechts oben) dargestellt, besteht die USB 3.2-Schnittstelle aus einer VBUS-Leitung und sechs Daten- und Steuerleitungen. Entwickler sollten zum Schutz der VBUS-Leitung die gleichen Komponenten wählen, die auch für die USB 2.0-Schnittstelle zum Schutz vor Überstrom- und Überspannungsereignissen empfohlen werden. Zum Schutz der sechs Datenleitungen vor Spannungsspitzen eignen sich diskrete TVS-Dioden-Arrays an jedem Anschluss. Einzelne TVS-Dioden-Arrays können diese Fähigkeiten aufweisen:

Sichere Absorption von bis zu 40 A Spitzenstrom aus einer schnellen elektrischen Transiente

ESD-Schutz bis ±18 kV über die Luft und ±12 kV durch direkten Kontakt

Niedriger Ableitstrom mit einem Höchstwert von 20 nA

Niedrige Kapazität von 0,09 pF Pin-Pin, welche die Signalintegrität nicht beeinträchtigt

Einzelne TVS-Dioden bieten einen besseren Schutz des schnelleren USB-Ports durch Komponenten mit geringerer Kapazität. Dies beeinträchtigt die Datenübertragungskapazität nur minimal. 

Abbildung 2. Empfohlene Schutzkomponenten für USB 2.0- und USB 3.2-Schnittstellen
Abbildung 2. Empfohlene Schutzkomponenten für USB 2.0- und USB 3.2-Schnittstellen
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Abbildung 3. 4-Kanal-TVS-Dioden-Array mit einer Zener-Diode zum Schutz vor transienten Spannungen
Abbildung 3. 4-Kanal-TVS-Dioden-Array mit einer Zener-Diode zum Schutz vor transienten Spannungen
© Littlefuse

Schutz der Hochgeschwindigkeitsschnittstellen USB 3.2 und USB 4.0 mit Power Delivery-Revisionen

Die Versionen ab USB 3.2 Gen 2x1 benötigen Typ-C-Stecker. Wie in Abbildung 1 zu sehen ist, handelt es sich bei Typ-C um einen Stecker mit hoher Packungsdichte. Daher kann der Typ-C-Stecker durch eindringenden Staub und Schmutz anfällig für Widerstandskurzschlüsse zwischen den Kontakten sein. Mit bis zu 100 W an den Stromanschlüssen besteht immer die Gefahr, dass der Stecker und die zugehörigen Schaltkreise beschädigt werden. Der USB Typ-C-Stecker lässt sich vor der mit dem Widerstandsfehler verbundenen Hitze schützen, indem man eine digitale Temperaturanzeige auf der Konfigurationskanalleitung (CC) verwendet (siehe Abbildung 4). Mit der digitalen Temperaturanzeige auf der CC-Leitung kann ein präziser Schutz unter allen Leistungsbedingungen gewährleistet werden, von der niedrigsten Stufe wie 5 W bis hin zur maximalen Leistung von USB-C, 100 W. Weitere Einzelheiten zur Implementierung dieser Wärmeschutzfunktion enthält die USB-Typ-C-Norm.

Abbildung 4. Empfohlene Schutzkomponenten für USB 3.2- und USB 4.0 Typ-C-Schnittstellen
Abbildung 4. Empfohlene Schutzkomponenten für USB 3.2- und USB 4.0 Typ-C-Schnittstellen
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Zum Schutz vor Transienten sollten verschiedene Versionen von TVS-Dioden-Arrays zum Einsatz kommen. Für die SuperSpeed-Leitungen gilt es, einen TVS-Dioden-Array mit der niedrigsten Kapazität auszuwählen. Der Stromverbrauch bleibt niedrig bei TVS-Dioden-Arrays mit geringem Leckstrom, dies ist insbesondere für VBUS-Leitungen wichtig. Wenn das Produkt in der Automobilindustrie zum Einsatz kommt, sollten TVS-Dioden-Arrays gewählt werden, die nach AEC-Q101 qualifiziert sind (Automotive Electronics Council Failure Mechanism Based Stress Test Qualification for Discrete Semiconductors).

 

Schutz von HDMI-, DisplayPort- und eSATA-Schnittstellen

Für die HDMI (High Definition Multimedia Interface)-, DisplayPort- und eSATA-Schnittstellen empfiehlt sich ein ähnliches Schutzschema, weshalb diese drei Schnittstellen gemeinsam betrachtet werden. HDMI verbindet hochauflösendes Video und digitales Audio von einem Display-Controller zu einem Video-Display oder einem Audiogerät.[1] HDMI ist als De-facto-Standard für hochauflösendes Fernsehen bekannt. Die HDMI-Schnittstelle wird seit 2004 in Produkte eingebaut. Die aktuelle Version 2.1 kann Daten mit einer maximalen Geschwindigkeit von 48 Gbit/s übertragen.

Die DisplayPort-Schnittstelle überträgt Videodaten von einer Videoquelle zu einem Anzeigegerät, etwa einem PC-Monitor. Diese Schnittstelle, die gleichzeitig Audio und Video übertragen kann, ersetzt den VGA-Standard. DisplayPort wurde 2006 eingeführt. Die Version 2.0 mit einer Zieldatenrate von 77 Gbit/s wird voraussichtlich noch in diesem Jahr fertiggestellt. Diese Schnittstelle ist mit der HDMI-Schnittstelle kompatibel. Die Video Electronics Standards Association verwaltet den DisplayPort-Standard.[2]

Die SATA (Serial Advanced Technology Attachment)-Schnittstelle wurde ursprünglich in einem parallelen Format von IBM für den IBM AT PC entwickelt. Heute gilt die Schnittstelle als Industriestandard für Festplattenlaufwerke.[3] Der eSATA (external SATA)-Standard wurde 2004 entwickelt, um eine robuste Verbindung für den Anschluss von externen Festplatten zu ermöglichen.

Um diese drei in Abbildung 5 dargestellten Schnittstellen vor schädlichen Transienten zu schützen, kann ein einziger Bauteiltyp verwendet werden, ein 4-Kanal-TVS-Dioden-Array. Abbildung 6 zeigt die entsprechende Konfiguration. 4-Kanal-TVS-Dioden-Arrays bieten:

Eine extrem niedrige Kapazität von 0,2 pF, die sich nur unwesentlich auf das Augendiagramm der Übertragung auswirkt

25 nA Ableitstrom für minimalen Stromverbrauch

ESD-Schutz bis zu ±20 kV über die Luft oder durch direkten Kontakt

SOD 883-Gehäuse, um Platz auf der Leiterplatte zu sparen und die Komplexität des Leiterbahnlayouts zu reduzieren.

 

Abbildung 5. Empfohlener Schutz für HDMI-, DisplayPort- und eSATA-Schnittstellen
Abbildung 5. Empfohlener Schutz für HDMI-, DisplayPort- und eSATA-Schnittstellen
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Abbildung 6. TVS-Dioden-Array zur Unterdrückung von Spannungstransienten
Abbildung 6. TVS-Dioden-Array zur Unterdrückung von Spannungstransienten auf vier Hochgeschwindigkeits-Datenleitungen
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Geschützte Ports für mehr Robustheit und Zuverlässigkeit der Produkte

Der Schutz von Übertragungsschnittstellen erfordert Komponenten, die den Schaltkreis absichern, ohne die übertragenen Signale zu beeinträchtigen. Zwar sind nicht viele Komponenten erforderlich, dennoch gibt es eine Vielzahl von Komponenten in Betracht zu ziehen. Bei der Entwicklung und Auswahl von Schutzkomponenten sollte das Fachwissen eines Herstellers genutzt werden, um wertvolle Entwicklungszeit zu sparen. Dieser berät bei der Suche nach kosteneffizienten Lösungen. Ist das Design gegen Stromüberlastungen und Spannungstransienten geschützt, können Unternehmen Robustheit und Zuverlässigkeit garantieren. Beides stärkt den Ruf der Markenprodukte und reduziert die Kosten für Serviceleistungen während der Garantiezeit.

Über den Autor

Todd Phillips ist der Global Strategic Market Manager für den Geschäftsbereich Elektronik. Er kam 2006 als Vertriebsingenieur für den industriellen POWR-GARD-Geschäftsbereich zu Littelfuse. 2011 wurde er regionaler Vertriebsleiter im Geschäftsbereich Elektronik. Zu seinen derzeitigen Aufgaben gehören die Entwicklung von Marketingmaterial, das Management von Marketingaktivitäten für neue Produkteinführungen sowie die Durchführung von Marktstudien und Machbarkeitsanalysen für neue Produktideen. Er erhielt seinen BSEE von der Milwaukee School of Engineering. Todd Phillips ist über tphillips@littelfuse.com erreichbar.


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