Industriële fabricage
Industrieel internet der dingen | Industriële materialen | Onderhoud en reparatie van apparatuur | Industriële programmering |
home  MfgRobots >> Industriële fabricage >  >> Manufacturing Equipment >> Industrieel materiaal

Ontwerptips voor het beschermen van snelle interfaces

In deze tweede aflevering van de serie "Bescherm uw poorten! Topontwerptips om uw communicatie verbonden te houden" onderzoeken we hoe de bescherming van snelle interfaces eruitziet zoals, inclusief USB, HDMI, DisplayPort en eSATA.

Er bestaan ​​talloze communicatiecircuits en -protocollen voor een breed scala aan toepassingen. Aangezien deze circuits gegevens verzenden en ontvangen tussen afzonderlijke apparaten, zijn de poorten van de interfaces onderhevig aan externe bedreigingen voor hun circuits. Deze bedreigingen omvatten stroomoverbelastingen en spanningstransiënten door bliksem, elektrische snelle transiënten (EFT) en elektrostatische ontlading (ESD).

Deze circuits moeten worden beschermd tegen de schade die wordt veroorzaakt door deze externe bedreigingen, maar het transmissieprotocol van de interface mag niet worden aangetast. Met geïmplementeerde beveiligingsschema's moet het communicatiecircuit op betrouwbare wijze onbeschadigde gegevens verzenden; en de ontvanger moet informatie nauwkeurig detecteren en decoderen, zodat de originele gegevens volledig worden hersteld.

Dit artikel is het tweede in een reeks over het beschermen van communicatie-interfaces. De eerste presenteerde oplossingen voor het beschermen van de poorten van power-over-Ethernet-interfaces. Dit artikel geeft elektronica-ontwerpingenieurs aanbevelingen voor het beschermen van high-speed interfaces zonder afbreuk te doen aan de transmissie-/ontvangstprestaties of de beperkingen van de productgrootte te verstoren.

Er worden vier communicatieprotocollen overwogen:

  • de Universal Serial Bus (USB)-standaarden die blijven evolueren met hogere snelheidsformaten,
  • de High Definition Multimedia Interface (HDMI),
  • de DisplayPort-interface,
  • en de External Serial Advanced Technology Attachment (eSATA).

Het doel van deze standaarden en hun huidige maximale bandbreedtes worden beschreven in Tabel 1.

Tabel 1. Communicatieprotocollen, functie en maximale datasnelheid

USB-interfaces

De USB-poort is alomtegenwoordig op personal computers, computerrandapparatuur, elektronische test- en meetinstrumenten en tal van andere producten. De USB-interface maakt een gemakkelijke en snelle verbinding mogelijk tussen computers, slimme apparaten en randapparatuur. Het werd voor het eerst gestandaardiseerd in 1996 en evolueerde met hogere snelheden en maakte meer vermogen mogelijk voor het opladen van op batterijen werkende apparaten.

Het USB-Implementers Forum (USB-IF) heeft de standaard geüpgraded door middel van vier grote herzieningen. De bekabelde USB-standaard begon met versie 1.0 en heeft zich ontwikkeld tot versie 2.0, 3.x-versies, en is momenteel tot revisie 4, USB4.

Tabel 2 geeft een overzicht van de versies van 2.0 tot USB4 en laat zien hoe de maximale doorvoer van elke versie aanzienlijk is toegenomen.

Tabel 2. De momenteel actieve versies van de USB-interface en hun maximale gegevensoverdrachtsnelheden

De verschillende datasnelheden zorgen ervoor dat een USB-poort kan communiceren met apparaten variërend van trage toetsenborden tot high-speed video-apparaten. Ontwerpers kunnen profiteren van een algemene interface waarin de signaallijnen niet zijn toegewezen aan een specifieke functie van één type apparaat. Ontwerpers kunnen ook USB-interfaces instellen om een ​​lage latentie te hebben voor tijdkritische functies of om grote gegevensoverdrachten op de achtergrond mogelijk te maken.

Daarnaast definieert de standaard power delivery (PD)-revisies voor USB-versies 1 tot en met 3. Met de PD-revisies kunnen apparaten worden opgeladen en gevoed via de USB-interface. Het vermogen is toegenomen van 2,5 W (5 V @0,5A) naar 100 W (20 V @ 5A).

De USB-connectoren zijn ook geëvolueerd om hogere datasnelheden en grotere beschikbaarheid van stroom mogelijk te maken. Afbeelding 1 toont de pinconfiguraties en de relatieve connectorgrootte voor de verschillende connectoren die voor elke USB-versie worden gebruikt. Tabel 3 toont de maximale gegevenssnelheid die elke connector kan bereiken.

Figuur 1. USB-connectoren ontworpen voor de verschillende USB-standaarden

Tabel 3. Maximale datasnelheden voor USB-connectortypes

Een USB 2.0-interface beschermen

De USB 2.0-interface bestaat uit een VBUS-voedingslijn en twee datalijnen zoals weergegeven in figuur 2a.

Figuur 2. Aanbevolen beschermingscomponenten voor USB 2.0- en USB 3.2-interfaces

De VBUS-lijn, die zijn stroom kan ontvangen van de wisselstroomlijn, is onderhevig aan stroomoverbelastingen en spanningspieken die worden voortgeplant op de wisselstroomlijn. Er moet een resetbare zekering worden geïnstalleerd op de VBUS-lijn om te beschermen tegen overbelasting, zodat wanneer de overbelasting is opgelost, de resetbare zekering wordt gereset en het circuit kan blijven functioneren.

Een polymeer positieve temperatuurcoëfficiënt (PPTC) zekering is een resetbare zekering waarvan de weerstand aanzienlijk toeneemt als gevolg van warmte die wordt gegenereerd door een overbelastingsstroom. De interne structuur van de PPTC-zekering verandert tijdens een overbelasting om een ​​toename van de weerstand te veroorzaken. Wanneer het apparaat afkoelt, wordt de structuur met lage weerstand hersteld. Deze zekeringen zijn ontworpen voor laagspanningscircuits waar de maximale nominale spanning gewoonlijk 24 V is.

Andere kenmerken van PPTC-zekeringen zijn:

  • Ultra-lage weerstand, variërend van mΩ's tot ongeveer 2 Ω, wanneer stroom onder de uitschakelwaarde van de zekering stroomt
  • Breed stroombereik van 100 mA tot 9 A
  • Snelle tijd om te reizen
  • Ruimtebesparende, opbouwverpakking in de maten 0402 tot 2920
  • UL-componentherkenning en TUV-goedkeuring.

Gebruik een unidirectionele transiënte spanningsonderdrukker (TVS) diode-array om het circuit dat wordt gevoed door de VBUS-lijn te beschermen tegen door de stroomlijn geïnduceerde transiënten en elektrostatische ontlading (ESD) stakingen. Versies van dit type diode-array bieden:

  • Capaciteit om veilig tot 40 A te absorberen van een elektrisch snelle transiënt en 5 A van een blikseminslag
  • Mogelijkheid om een ​​ESD-aanval van ±30 kV te weerstaan, hetzij via de ether, hetzij via direct contact
  • Maximale lage lekstroom van 0,5 µA in circuits van 5 V
  • Een ruimtebesparend 0201-pakket voor opbouwmontage

Zorg ervoor dat u de datalijnen beschermt tegen spanningspieken die de gegevensoverdracht kunnen aantasten. Overweeg een 4-kanaals TVS-diodearray voor datalijnbeveiliging.

Diode-arrays zoals getoond in figuur 3 hebben de volgende mogelijkheden:

  • Veilige absorptie van een +22 kV ESD door de lucht of een directe contactaanval en een – 10 kV ESD-aanval via lucht of direct contact
  • Minimale impact op de datalijnen met een capaciteit van 0,3 pF per pin naar aarde.
  • Lage lekstroom van 10 nA voor minimale belasting van het circuit.

Er zijn dus slechts drie componenten nodig om een ​​USB 2.0-poort volledig te beschermen.

Figuur 3. 4-kanaals TVS-diodearray met een zenerdiode voor bescherming tegen transiënte spanning

Een USB 3.2-interface beschermen

Zoals weergegeven in afbeelding 2b hierboven, bestaat de USB 3.2-interface uit een VBUS-lijn en zes data- en stuurlijnen. Gebruik dezelfde componenten die worden aanbevolen om de VBUS-lijn te beschermen zoals besproken voor de USB 2.0-interface tegen overstroom en overspanningsgebeurtenissen. Overweeg een discrete TVS-diode-array op elke poort om de zes datalijnen te beschermen tegen spanningspieken.

Individuele TVS-diodearrays kunnen deze mogelijkheden hebben:

  • Veilige absorptie van maximaal 40 A piekstroom van een elektrisch snelle transiënt
  • ESD-bescherming tot ±18 kV via de ether en ±12 kV tegen direct contact
  • Lage lekstroom met een maximale waarde van 20 nA
  • Lage capaciteit van 0,09 pF pin-pin die de signaalintegriteit niet in gevaar brengt

Het gebruik van individuele TVS-diodes biedt een betere bescherming van de USB-poort met hogere snelheid met componenten met een lagere capaciteit voor een minimale impact op de gegevensoverdrachtcapaciteit.

Bescherming van de snelle USB 3.2- en USB 4.0-interfaces met de Power Delivery-revisies

De USB 3.2 Gen 2x1 en hogere versies vereisen het gebruik van de Type-C-connector. Zoals te zien is in figuur 1, is de Type-C-connector een connector met hoge dichtheid. Als gevolg hiervan kan de Type-C-connector gevoelig zijn voor resistieve kortsluitingen tussen contacten als gevolg van stof en vuil dat de connector kan binnendringen.

Met maximaal 100 W op de voedingspinnen is de kans op beschadiging van de connector en de bijbehorende schakelingen altijd aanwezig. Bescherm de USB Type-C-connector tegen hitte in verband met de resistieve fout met behulp van een digitale temperatuurindicator op de configuratiekanaallijn (CC) zoals weergegeven in afbeelding 4.

Figuur 4. Aanbevolen beschermingscomponenten voor USB 3.2 en USB 4.0 Type-C interfaces

Met de digitale temperatuurindicator op de CC-lijn kan het nauwkeurige bescherming bieden tijdens alle stroomomstandigheden, van het laagste niveau zoals 5W tot het maximale vermogen van USB-C, 100W. Raadpleeg de USB Type-C-standaard voor meer informatie over het implementeren van deze thermische beveiligingsfunctie.

Overweeg om verschillende versies van TVS-diodearrays te gebruiken voor bescherming tegen transiënten. Selecteer een TVS-diodearray voor de SuperSpeed-lijnen met de laagste capaciteit. Houd het stroomverbruik laag door TVS-diodearrays met een lage lekstroom te selecteren, met name voor de VBUS-lijnen.

Als uw product gebruikt zal worden in de auto-industrie, selecteert u TVS-diodearrays die AEC-Q101-gekwalificeerde componenten zijn (Automotive Electronics Council Failure Mechanism Based Stress Test Qualification for Discrete Semiconductors).

Bescherming van HDMI-, DisplayPort- en eSATA-interfaces

Een soortgelijk beveiligingsschema wordt aanbevolen voor de High Definition Multimedia Interface (HDMI), DisplayPort en eSATA-interfacepoorten, dus deze drie interfaces worden samen beschouwd. HDMI combineert high-definition video en digitale audio van een beeldschermcontroller met een videoweergaveapparaat of een audioapparaat. HDMI staat bekend als de de-facto high-definition televisiestandaard. De HDMI-interface is sinds 2004 in producten verwerkt. Deze is nu op versie 2.1 en kan gegevens verzenden met een maximale snelheid van 48 Gbps.

De DisplayPort-interface is ontworpen om videogegevens van een videobron naar een weergaveapparaat zoals een pc-monitor te verzenden. Deze interface, die tegelijkertijd audio en video kan verzenden, vervangt de VGA-standaard. DisplayPort werd voor het eerst geïntroduceerd in 2006. Versie 2.0, met een beoogde datasnelheid van 77 Gbps, zal naar verwachting later dit jaar worden voltooid. Deze interface is compatibel met de HDMI-interface. De Video Electronics Standards Association handhaaft de DisplayPort-standaard.

De Serial Advanced Technology Attachment (SATA) interface, oorspronkelijk ontwikkeld in een parallel formaat door IBM voor de IBM AT PC, definieert een interface, die nu de industriestandaard interface voor schijfstations is. De externe SATA-standaard (eSATA) is in 2004 geëvolueerd om een ​​robuuste verbinding te creëren voor connectiviteit met externe harde schijven.

Om deze drie interfaces, weergegeven in afbeelding 5, te beschermen tegen schadelijke transiënten, kan een enkel componenttype nodig zijn, een vierlijnige TVS-diodearray.

    Figuur 5. Aanbevolen bescherming voor HDMI-, DisplayPort- en eSATA-interfaces


    Afbeelding 6 toont de configuratie van de 4-lijns TVS-diodearray.

      Figuur 6. TVS-diodearray voor het onderdrukken van spanningspieken op vier snelle datalijnen

      TVS-diodearrays zoals een array met 4 lijnen bieden:

      • Ultra-lage capaciteit van 0,2 pF die een onbeduidende invloed heeft op het transmissieoogdiagram
      • 25 nA lekstroom voor minimaal stroomverbruik
      • ESD-bescherming tot ±20 kV via lucht- of directe contacttransmissie
      • SOD 883-verpakking om ruimte op de printplaat te besparen en de complexiteit van de traceerlay-out te verminderen.

      Het beschermen van uw poorten verbetert de robuustheid en betrouwbaarheid van het product

      Het beschermen van transmissie-interfaces omvat de selectie van componenten die bescherming bieden voor het circuit zonder de verzonden signalen in gevaar te brengen. Gelukkig zijn er niet veel componenten nodig. Er is echter een breed scala aan componenten om te overwegen.

      Profiteer van de expertise van een fabrikant bij het ontwerpen en selecteren van beschermingscomponenten om kostbare ontwikkelingstijd te besparen. De fabrikant kan helpen met het adviseren over kosteneffectieve oplossingen. Door uw ontwerp te beschermen tegen overbelasting en spanningspieken krijgt u een robuust, betrouwbaar ontwerp dat de reputatie van uw product op de markt verbetert en de servicekosten binnen de garantie verlaagt.

      Aanvullende referenties

      Download voor meer informatie de volgende handleidingen, met dank aan Littelfuse, Inc.

      • Selectiegids voor stroomkringbeveiligingsproducten
      • Littelfuse setP™ Ontwerp- en installatiehandleiding
      • Ontwerphandleiding voor ESD-bescherming

      Industrieartikelen zijn een vorm van inhoud waarmee branchepartners nuttig nieuws, berichten en technologie kunnen delen met lezers van All About Circuits op een manier waarop redactionele inhoud niet goed geschikt is. Alle brancheartikelen zijn onderworpen aan strikte redactionele richtlijnen met de bedoeling de lezers nuttig nieuws, technische expertise of verhalen te bieden. De standpunten en meningen in brancheartikelen zijn die van de partner en niet noodzakelijk die van All About Circuits of zijn schrijvers.


      Industrieel materiaal

      1. Zes tips voor betere onderhoudsbeslissingen
      2. 5 tips voor het ontwerpen van plaatwerk
      3. 6 tips om uw ontwerp te optimaliseren voor een metaalproductieproject
      4. 6 tips voor industriële kraanservice
      5. Kritische tips voor technisch ontwerpproces voor succesvolle productie
      6. Tips voor het kiezen van een industriële compressor
      7. Tips voor snelle lay-out
      8. 5 tips voor het ontwerpen van autocircuits om EMI te verslaan
      9. Ontwerptips voor het buigen van plaatwerk
      10. Ontwerptips voor spuitgieten
      11. Ontwerptips voor Carbon DLS™ 3D-printen