Um höhere Datenübertragungsraten und eine stärkere Stromversorgung zu ermöglichen, wurde die USB-Typ-C-Norm für Kabel und Stecker auf Version 2.1 und die USB-PD-Norm (Stromversorgung) auf Version 3.1 aktualisiert. Abbildung 1 zeigt den Typ-C-Stecker, der die erweiterten USB-Funktionen implementieren kann. Mit den PD-Revisionen können Geräte über die USB-Schnittstelle geladen und mit Strom versorgt werden. Die maximale Leistungskapazität wurde von 2,5 W (5 V @ 0,5 A) über 100 W (20 V @ 5 A) auf derzeit 240 W (48 V @ 5 A) erhöht. Die höhere Leistungskapazität ermöglicht neue Stromversorgungs- und Ladeanwendungen für USB-C wie Gaming-Notebooks, Dockingstationen, 4K-Monitore und All-in-One-Computer.

Herausforderungen für die Zuverlässigkeit der Produkte

Mit den weiterentwickelten Standards haben sich Datenübertragungsraten verbessert und die Ladeleistungen erhöht. Dennoch schreiben die Standards nicht direkt spezifische Methoden zum Schutz der USB-Schnittstelle vor externen Gefahren vor. Dieser Artikel zeigt Methoden auf, die mögliche Fehler durch ESD und Überhitzung ausschließen. Diese Techniken sind wichtig, um ein zuverlässiges und robustes Produkt zu gewährleisten.

USB-Anschlüsse vor ESD schützen

Elektronische Schaltkreise wie USB-Anschlüsse, die über Kabel und Stecker der äußeren Umgebung ausgesetzt sind, können von ESD betroffen sein. ESD-Ereignisse entstehen möglicherweise durch direkten Kontakt einer Person oder über die Luft, wenn eine Energiequelle einen Lichtbogen in einen elektronischen Schaltkreis schlägt. ESD-Schläge können bis zu 30 kV oder mehr mit schnellen Anstiegszeiten betragen und mit Strömen von bis zu 30 A Silizium und Leiterbahnen zum Schmelzen bringen. Mit so viel Energie kann ESD zum Totalausfall von Komponenten führen.

Darüber hinaus lösen ESD-Ereignisse auch subtilere Schäden aus. Der durch ESD verursachte Strom kann zu weichen Fehlern führen, einschließlich einer Zustandsänderung in einem logischen Bauteil, einer Verriegelung oder unvorhersehbarem Verhalten. Dies verfälscht möglicherweise den Datenstrom. Die Daten müssen dann erneut gesendet werden, wodurch sich die Datenübertragungsrate verlangsamt. Im Falle eines Verriegelungsfehlers muss das System neu gestartet werden. ESD kann auch einen latenten Defekt verursachen, bei dem eine Komponente zwar noch funktioniert, aber beeinträchtigt ist und vorzeitig ausfallen kann.

Für eine hohe Zuverlässigkeit müssen die Produkte robust gegenüber ESD sein. Außerdem müssen sie internationalen Normen wie der IEC 61000-4-2 entsprechen, damit sie weltweit verkauft werden können. Abbildung 2 zeigt eine von der IEC 61000-4-2 vorgegebene ESD-simulierte Testwellenform, der ein Produkt für die CE-Zertifizierung standhalten muss.

Es gibt zahlreiche Produkte zum Schutz von Kommunikationsanschlüssen vor ESD-Schäden. Abbildung 3 zeigt die empfohlenen Schutzkomponenten für Leitungen an USB-Schnittstellen mit einer Leistung von bis zu 100 W und einem erweiterten Leistungsbereich von bis zu 240 W. Bei den empfohlenen Komponenten handelt es sich um TVS-Dioden (Transient Voltage Suppressor). Tabelle 2 beschreibt die Bauteiltechnologien sowie ihre jeweiligen Merkmale und Vorteile.

Für die USB-2.0-Leitungen sollte eine unidirektionale TVS-Diode SP3530 oder eine gleichwertige Diode zum Einsatz kommen. Diese TVS-Diode kann ohne Beeinträchtigung einen 22-kV-ESD-Schlag absorbieren, fast das Dreifache des von der IEC 61000-4-2 geforderten 8-kV-Niveaus. Die geringe Kapazität von 0,3 pF minimiert Störungen bei Signalübergängen. Dieses Bauteil ist in einem 0201-Gehäuse für Oberflächenmontage erhältlich, das Platz auf der Leiterplatte spart.

Die SuperSpeed-Leitungen erfordern ein Bauteil mit der geringstmöglichen Kapazität, um die Datenübertragungen in Hochgeschwindigkeit nicht zu beeinträchtigen. Die bidirektionalen TVS-Dioden SP3213 zum Beispiel – zwei Dioden, die Anode-zu-Anode verbunden sind – bieten Schutz vor ESD-Schlägen mit bis zu 12 kV. Diese Dioden nehmen typischerweise einen Leckstrom von 20 nA auf, um den Stromverbrauch der Schaltung zu minimieren, und befinden sich in einem kompakten µDFN-2-Gehäuse zur Oberflächenmontage.

Für die Leitungen für die Seitenbandnutzung (SBU) und den Konfigurationskanal (CC) empfiehlt sich die unidirektionale TVS-Diode SP1006. Diese Komponente kann einen 30 kV ESD-Schlag in einem µDFN-2-Gehäuse sicher absorbieren. Die SP1006 ist eine sehr robuste TVS-Diode und ist nach AEC-Q101 für den Einsatz in USB-Kommunikationsanwendungen in der Automobilindustrie qualifiziert.

Für die Vbus-Leitungen sind TVS-Dioden erforderlich, die einer höheren Leistung standhalten können als die Schutzvorrichtungen für Signalleitungen. Die 200-W-TVS-Dioden der SPHV-Serie schützen eine Vbus-Leitung mit einer Kapazität von 100 W. Die SPHV-Diode hält ESD-Schlägen von 30 kV Stand, ist AEC-Q101-qualifiziert und in einem oberflächenmontierbaren Gehäuse erhältlich. Für die Extended Power Range-Schnittstelle ist die SMBJ-Diode eine Beispiellösung. Sie hat eine höhere Spitzenleistung (600 W) als die SPHV-Dioden und kann ESD-Schläge von bis zu 30 kV absorbieren. Wie die anderen empfohlenen TVS-Dioden für USB-Anschlüsse sind auch die SMBJ-Dioden oberflächenmontierbare Komponenten.

Jede der verschiedenen TVS-Dioden besitzt eine notwendige Funktion, um eine bestimmte Gruppe von Leitungen vor ESD zu schützen, ohne die Funktionalität der Leitung zu beeinträchtigen. Durch den Einbau dieser Dioden in die Schaltung werden sofortige Ausfälle, weiche Ausfälle und latente, vorzeitige Ausfälle verhindert.

USB-Typ-C-Stecker und -Buchsen vor Überhitzung schützen

Die hohe Dichte des USB-Typ-C-Steckers kann zu stärkeren Verunreinigungen durch Schmutz und Staub führen. Dies löst möglicherweise Widerstandsfehler zwischen Strom und Masse aus. In Kombination mit einer höheren Leistung auf der Vbus-Leitung besteht für den USB-Stecker ein größeres Risiko für Überhitzung. Diese kann den Stecker, das Kabel und die angeschlossene 

Port-Elektronik beschädigen. Der Temperaturanstieg kann zudem einen Stecker zum Schmelzen bringen oder im schlimmsten Fall einen Brand auslösen.

Mit einem digitalen Temperaturindikator, der mit den Spezifikationen für USB-Typ-C-Kabel und -Stecker konform ist, lässt sich Überhitzung vermeiden. Der Temperaturindikator erhöht seinen Widerstand mindestens um den Faktor fünf (5), wenn er eine Temperatur von 100° C oder mehr feststellt. Die Beispielkomponente, auf die dieser Artikel Bezug nimmt, ist die digitale setP-Temperaturanzeige von Littelfuse. Ihre Kennlinie ist in Abbildung 4 dargestellt.

Wie in Abbildung 3 dargestellt, befindet sich der Temperaturindikator in der Konfigurationskanalleitung. Er ist nicht in der Vbus-Leitung platziert, damit er weder Spannung noch Leistung beeinträchtigt und die Kapazität der Leistungsabgabe auf der Vbus-Leitung nicht verringert. Wenn das Bauteil eine Temperatur von 100° C feststellt, erhöht sich sein Widerstand erheblich. Das USB-Protokoll interpretiert den hohen Widerstand als eine offene Verbindung zwischen dem Quellenanschluss Vbus und dem Senkenanschluss, der Last, und die Vbus-Leitung wird deaktiviert. 

Wenn der Zustand, der die Überhitzung verursacht hat, behoben ist und die Temperatur des Sensors unter den Schwellenwert von 100°C fällt, wird sein Widerstand auf seinen Niedrigtemperaturwert von etwa 10 Ω zurückgesetzt und Vbus wieder aktiviert. Um optimale Ergebnisse zu erzielen, sollte der Temperaturindikator in einen USB-Stecker und/oder eine USB-Buchse eingebaut werden, damit er die Temperatur des Steckers an der Fehlerquelle überwachen kann.

Im Gegensatz zu einem Gerät mit positivem Temperaturkoeffizienten oder einem Leitungsschutzschalter, der sich in der Vbus-Leitung befinden muss, verbraucht ein digitaler Temperaturindikator keinen Strom und verringert nicht die Stromlieferkapazität. Außerdem sind diese anderen Komponenten auf eine Leistung von 100 W und weniger begrenzt. Dies würde ihre Verwendung in der USB-Typ-C-Anwendung mit erweitertem Leistungsbereich verhindern.

Der Temperatursensor sollte so klein sein, dass er eine Erkennung an der Fehlerquelle ermöglicht. Er sollte auch seinen Widerstandszustand in nur einer (1) Sekunde ändern können, um eine Beschädigung des Kabels und der elektronischen Komponenten zu verhindern. Abbildung 5 zeigt, wie ein Temperaturindikator eine sichere Oberflächentemperatur des Steckers während eines Übertemperaturfehlers aufrechterhält.