הגנות על אפליקציות ממשק USB2.0

הגנת ממשק USB

ממשק ה USB הוא כנראה הממשק הPC  הנפוץ בעולם. שימושו באפליקציות תעשייתיות הופך להיות יותר ויותר נפוץ, אבל ישנן דאגות לגבי חוסן הממשק כנגד  EMI ו ESD.

חברת אינטל ממליצה להשתמש ב Common mode chock  על מנת להנחית רעשי EMI וברכיבים נוספים על מנת להגן על הממשק כנגד פולס ESD.

וירט אלקטרוניק מציעה את כל סוגי ההגנות האלו.

WE-CNSW   –    Common mode chock   רכיב זה תוכנן על מנת להנחית רעשי EMI בקווי סיגנל מהירים.

WE-TVS  –   – דיודת TVS בעלת קיבול פרזיטי נמוך במיוחד (2pF >)  על מנת להגן על הממשק מפולסי ESD.

בנוסף משפחת WE-VE מציעה קיבול פרזיטי קטן במיוחד  (0.05pF) .

אבל על מנת להגן מרעשי EMI חובה לסנן את קו אספקת המתח Vbus .

הרבה מאוד מהנדסים שוכחים לעשות זאת ומתפלאים מדוע הם נכשלים בבדיקות EMI במעבדות EMC.

סכמה טיפוסית עם הגנות לממשק USB2.0  מתוארת בצורה זו:

בשימוש  בדיודה WE-TVS אחת, בעלת מספר פינים, ניתן להגן על שני פורטים של USB.

כל קווי המידע של הUSB  מוגנים בפני EMI על ידי ה Common mode chock.

על מנת להגן על קו אספקת המתח Vbus, ניתן להשתמש בפריט ביד מסדרת WE-CBF.

דיודת TVS

ישנם מספר סוגים של דיודותTVS

לדיודות אלו מספר תפקידים שונים:

* הגנה מפני פולסי ESD לפי תקן EN 61000-4-2

* הגנה מפני ברקים לפי תקן של EN 61000-4-5

* הגנה מפני פולסי EFT לפי תקן EN 61000-4-4

סדרות דיודות הTVS  הם בעלות ביצועים מעולים וישנם כאלו שמגינות בפני ברקים (TVSP).

סדרות אלה הם הבחירה האולטימטיבית להגנה על קווי מידע מהירים כמו  USB 2.0 ו USB 3.X

DVI/HDMI כתוצאה מהקיבול הפרזיטי הנמוך שלהם.

ESD Suppressors

מנחיתי ESD הם רכיבים מסוג וריסטור , בעלי קיבול נמוך. לוירט אלקטרוניק ישנם מספר משפחות.

WE-VE הסדרה הסטנדרטית שלה  קיבול פרזיטי שנע בין 1pF to 120pF ומיועד לשימוש בקווי מידע בעלי תדירות נמוכה מ10MHz  ו/ או מתח שנע בין 5V to 24V.

WE-VE “ULC”  סדרה בעלת קיבול נמוך של  0.2pF ומיועד לקווי מידע מהירים ומתח של  עד 12V.

WE-VE femtoF  קיבול נמוך במיוחד 0.05pF. מתחים של 6V, 14V  ו  26V

לשתי הסדרות הראשונות ישנה אופציה של מערך 4 דיודות.

מדוע צריך הגנה מפני ESD?

מאז פיתוח הרכיבים האלקטרונים הראשונים , התברר שכל רכיב חשוף לפריקה אלקטרו סטטית.

לאירועי EDS יש מתח שיא של עד 30kV והם מסוכנים מאוד עבור כל סוג של מעגלים משולבים (ICs)

עם זאת ישנם מעגלים משולבים אשר בתוכם מוטמעת הגנה מפני פולסי ESD  אך בתנאים של העולם האמתי ניתן לראות כי התקן הגנה חיצונית מפני פולסי ESD   היא הכרחית.

מדוע צריך סינון מפני EMI ?

עם הגידול של מוצרים אלקטרונים והצורך לקישור אלחוטי, ישנה דרישה שמוצר יהיה חסין בפני ההפרעות שנגרמות על ידי סביבת RF.

אם לוקחים בחשבון  את הפרעות ה EMI וכיצד הם עלולות להשפיע על המוצר, אז מהנדסים יכולים לתכנן את ההגנה המתאימה ולהקטין  את זמן הפיתוח לייצור.

בנוסף המוצר עצמו חייב לייצר רמות נמוכות של EMI על מנת לעבור בדיקות  EMC  במעבדות.

במידה והמוצר נכשל בבדיקות אלה, עלות התיקון של המוצר עלולה להיות מאוד גבוהה .

בטבלה מטה מתוארים ארבעה רכיבים מסוג דיודת TVS וחמישה רכיבים מסוג ESD Suppressors

איך לבחור את הרכיב המתאים?

האם יש מתח לחיבור הדיודה?

מומלץ לקחת דיודת TVS

אין מתח לחיבור הדיודה? או ישנה העדפה לרכיב קרמי?

מומלץ לקחת דיודת TVS שהחיבור VDD  יכול לצוף, או לקחת WE-VE ESD suppressor.

מה צריך להיות הקיבול הפרזיטי המקסימלי  של הדיודה עבור ממשק USB 2.0?

עבור ממשק ה USB 2.0 הקיבול המקסימלי של הדיודה צריך להיות 5pF.

מה מתח הESD  המקסימלי אשר יכול להיות?

לית עבור חיבור USB 2.0  עדיף לקחת דיודת TVS שיש לה ארבע קווי הגנה ,

ולחבר לכל קו USB  2 קווי הגנה של הדיודה.

המק”ט המתאים לדיודת TVS עבור  ממשק USB 2.0   יחיד הוא 824011 ועבור  ממשק זוגי 824015.

מהנדסים אשר מעדיפים הגנה על קו יחיד , במקרה זה  מומלץ להשתמש במק”טים 82307050029  או 82306050029

בדיקת תבנית העין

אחרי בחירת רכיב ההגנה מפני ESD , המהנדס חייב  להבטיח שכל תכנון הממשק מתאים לדרישות תקן הUSB לכן בחירת רכיבים על קיבול פרזיטי מינימלי עושה אותם “בלי נראים ” לקווי המידע.

האיור הבא מציג  תבנית עין של USB2.0  בלי רכיבי הגנה נגד ESD על קווי המידע.

האיור הבא מציג תבנית העין של USD2.0  בשימוש דיודת TVS 824015.

תוצאות תבניות העין מוכיחות שחיבור דיודת הגנה מסוג WE-TVS אינה מפריעה לתעבורת המידע בממשק עקב קיבול פרזיטי נמוך של הדיודה.

את אותה התבנית נקבל  עבור שימוש בכל אותם רכיבים מסוג ESD suppressors .

הטבלה מטה מציגה רכיבי הגנת ESD של וירט אלקטרוניק בעלי קיבול פרזיטי מינימלי , אשר אינם מפריעים  כלל לתעבורת המידע בממשק הUSB2.0

עריכה ממומלצת עבור ממשק U יחיד

שני קווי המידע הדיפרנציאלים D+  ו D-   מתחברים מהקונקטור לדיודת ה TVS- (WE- 824 011)    ומשם ל  Common mode chock (WE-74423290)  ומשם ל IC

כפי שמתואר באיור משמאל למטה

התוצאה היא הגנה מעולה מפני ESD  ו EMI .

Vbus מנותב כמו קו המידע אבל במקום לחבר אותו לCMC הוא מחובר  לפריט ביד (WE-742792641)  בנוסף, ניתן לחבר קבל ופריט ביד שני  (כמסנן PI ) על מנת לקבל הגנה מקסימלית מפני EMI על קו ה Vbus.

עבור IC מאוד רגישים או לאפליקציות שנדרשות להגנה מקסימלית מפני פולסי ESD , ניתן לחבר קו מידע אחד לשתי כניסות שונות של דיודות ה TVS , כפי שמתאר באיור    (WE-824015)

עריכה מומלצת עבור ממשק USB2.0 כפול

העריכה המומלצת עבור ממשק USB2.0  כפול היא דומה לעריכה של ממשק USB2.0 יחיד . הרכיבים המומלצים לשימוש הם זהים לחלוטין לרכיבים שהומלצו עבור ממשק USB2.0 יחיד.