Dicas de design para proteção de interfaces de alta velocidade

Nesta segunda parte da série "Proteja suas portas! Principais dicas de design para manter suas comunicações conectadas", exploramos a aparência de proteção de interfaces de alta velocidade como, incluindo USB, HDMI, DisplayPort e eSATA.

Existem vários circuitos e protocolos de comunicação para atender a uma ampla gama de aplicações. Uma vez que esses circuitos transmitem e recebem dados entre dispositivos separados, as portas das interfaces estão sujeitas a ameaças externas a seus circuitos. Essas ameaças incluem sobrecargas de corrente e transientes de tensão de raios, transientes elétricos rápidos (EFT) e descarga eletrostática (ESD).

Esses circuitos exigem proteção contra os danos causados ​​por essas ameaças externas, mas o protocolo de transmissão da interface não pode ser comprometido. Com os esquemas de proteção implementados, o circuito de comunicação deve transmitir dados não corrompidos de forma confiável; e, o receptor deve detectar e decodificar com precisão as informações para que os dados originais sejam completamente recuperados.

Este artigo é o segundo de uma série sobre proteção de interfaces de comunicação. A primeira apresentou soluções para proteger as portas de interfaces Power-over-Ethernet. Este artigo apresenta aos engenheiros de projeto eletrônico recomendações para proteger interfaces de alta velocidade sem comprometer o desempenho de transmissão / recepção ou interferir nas restrições de tamanho do produto.

Quatro protocolos de comunicação são considerados:

• os padrões Universal Serial Bus (USB) que continuam a evoluir com formatos de alta velocidade,
• a interface multimídia de alta definição (HDMI),
• a interface DisplayPort,
• e o Anexo de tecnologia avançada serial externa (eSATA).

A finalidade desses padrões e suas larguras de banda máximas atuais são descritos na Tabela 1.

Tabela 1. Protocolos de comunicação, função e taxa máxima de dados

Interfaces USB

A porta USB é onipresente em computadores pessoais, periféricos de computador, instrumentos eletrônicos de teste e medição e vários outros produtos. A interface USB permite uma conexão fácil e rápida entre computadores, dispositivos inteligentes e dispositivos periféricos. Ele foi padronizado pela primeira vez em 1996 e tem evoluído com velocidades mais altas e permitindo mais capacidade de transporte de energia para carregar dispositivos operados por bateria.

O USB-Implementers Forum (USB-IF) atualizou o padrão por meio de quatro revisões principais. O padrão USB com fio começou com a versão 1.0 e progrediu até as versões 2.0 e 3.x, e atualmente está até a revisão 4, USB4.

A Tabela 2 lista as versões de 2.0 a USB4 e mostra como a taxa de transferência máxima de cada versão aumentou substancialmente.

Tabela 2. As versões atualmente ativas da interface USB e suas taxas máximas de transferência de dados

As diferentes taxas de dados permitem que uma porta USB faça interface com dispositivos que variam de teclados lentos a dispositivos de vídeo de alta velocidade. Os projetistas podem tirar vantagem de uma interface generalizada na qual as linhas de sinal não são dedicadas a uma função específica de um tipo de dispositivo. Além disso, os designers podem configurar interfaces USB para ter baixa latência para funções críticas de tempo ou para permitir grandes transferências de dados operando em segundo plano.

Além disso, o padrão define revisões de fornecimento de energia (PD) para as versões USB 1 a 3. As revisões de PD permitem que os dispositivos sejam carregados e alimentados por meio da interface USB. A capacidade de energia aumentou de 2,5 W (5 V @ 0,5 A) para 100 W (20 V a 5 A).

Os conectores USB também evoluíram para permitir taxas de dados mais altas e maior disponibilidade de energia. A Figura 1 mostra as configurações de pinos e o tamanho relativo do conector para os vários conectores usados ​​para cada versão USB. A Tabela 3 mostra a taxa máxima de dados que cada conector pode atingir.

Figura 1. Conectores USB projetados para os vários padrões USB

Tabela 3. Taxas máximas de dados para tipos de conectores USB

Protegendo uma interface USB 2.0

A interface USB 2.0 consiste em uma linha de alimentação VBUS e duas linhas de dados, conforme mostrado na Figura 2a.

Figura 2. Componentes de proteção recomendados para interfaces USB 2.0 e USB 3.2

A linha VBUS, que pode receber energia da linha de energia CA, está sujeita a sobrecargas de corrente e transientes de tensão propagados na linha de energia CA. Um fusível reinicializável deve ser instalado na linha VBUS para proteção contra sobrecargas, de modo que, quando a sobrecarga for resolvida, o fusível reinicializável seja reiniciado e o circuito possa continuar a funcionar.

Um fusível de coeficiente de temperatura positiva de polímero (PPTC) é um fusível reconfigurável cuja resistência aumenta significativamente devido ao calor gerado por uma corrente de sobrecarga. A estrutura interna do fusível PPTC muda durante uma sobrecarga para causar um aumento na resistência. Quando o dispositivo esfria, a estrutura de baixa resistência é restaurada. Esses fusíveis são projetados para circuitos de baixa tensão, onde a classificação de tensão máxima é geralmente de 24 V.

Outras características dos fusíveis PPTC são:

• Resistência ultrabaixa, variando de mΩ's a cerca de 2 Ω, quando a corrente abaixo da classificação de disparo do fusível está fluindo
• Ampla faixa de classificações de corrente de 100 mA a 9 A
• Tempo rápido para viajar
• Embalagem para montagem em superfície que economiza espaço em tamanhos de 0402 a 2.920
• Reconhecimento de componente UL e aprovação TUV.

Para proteger o circuito alimentado pela linha VBUS de transientes induzidos pela linha de energia e descargas eletrostáticas (ESD), use uma matriz de diodo supressor de tensão transiente unidirecional (TVS). As versões deste tipo de matriz de diodos fornecem:

• Capacidade de absorver com segurança até 40 A de um transiente eletricamente rápido e 5 A de um raio
• Capacidade de resistir a um ataque ESD de ± 30 kV pelo ar ou via contato direto
• Corrente de fuga baixa máxima de 0,5 µA em circuitos de 5 V
• Um pacote de montagem em superfície 0201 com espaço eficiente

Certifique-se de proteger as linhas de dados de transientes de tensão que podem corromper a transmissão de dados. Considere uma matriz de diodo TVS de 4 canais para proteção de linha de dados.

Matrizes de diodos, como a mostrada na Figura 3, têm os seguintes recursos:

• Absorção segura de +22 kV ESD através do ar ou de contato direto e de - 10 kV ESD via ar ou contato direto
• Impacto mínimo nas linhas de dados com uma capacitância de 0,3 pF por pino de aterramento.
• Baixa corrente de fuga de 10 nA para carga mínima no circuito.

Portanto, apenas três componentes são necessários para proteger totalmente uma porta USB 2.0.

Figura 3. Matriz de diodos TVS de 4 canais com diodo Zener para proteção de tensão transiente

Protegendo uma interface USB 3.2

Conforme mostrado na Figura 2b acima, a interface USB 3.2 compreende uma linha VBUS e seis linhas de dados e controle. Use os mesmos componentes recomendados para proteger a linha VBUS conforme discutido para a interface USB 2.0 de eventos de sobrecorrente e sobretensão. Para proteger as seis linhas de dados de transientes de tensão, considere um arranjo de diodos TVS discreto em cada porta.

Matrizes de diodos TVS individuais podem ter estes recursos:

• Absorção segura de até 40 A de corrente de pico de um transiente eletricamente rápido
• proteção ESD para ± 18 kV no ar e ± 12 kV do contato direto
• Baixa corrente de fuga com valor máximo de 20 nA
• Baixa capacitância de 0,09 pF pino-pino que não compromete a integridade do sinal

O uso de diodos TVS individuais oferece maior proteção da porta USB de alta velocidade com componentes de menor capacitância para impacto mínimo na capacidade de transmissão de dados.

Protegendo as interfaces USB 3.2 e USB 4.0 de alta velocidade com as revisões de fornecimento de energia

O USB 3.2 Gen 2x1 e versões superiores requerem o uso do conector Tipo-C. Como pode ser visto na Figura 1, o conector Tipo-C é um conector de alta densidade. Como resultado, o conector Tipo C pode ser suscetível a curtos resistivos entre os contatos devido à poeira e sujeira que podem entrar no conector.

Com até 100 W nos pinos de alimentação, o potencial de danos ao conector e ao circuito associado está sempre presente. Proteja o conector USB Tipo C do calor associado à falha resistiva usando um indicador digital de temperatura na linha do Canal de Configuração (CC), conforme mostrado na Figura 4.

Figura 4. Componentes de proteção recomendados para interfaces USB 3.2 e USB 4.0 Tipo-C

Com o indicador digital de temperatura na linha CC, ele pode fornecer proteção precisa durante quaisquer condições de energia, desde o nível mais baixo, como 5W, até a capacidade máxima de USB-C, 100W. Consulte o padrão USB Tipo C para obter mais detalhes sobre a implementação desse recurso de proteção térmica.

Para proteção contra transientes, considere o uso de diferentes versões de matrizes de diodos TVS. Selecione um arranjo de diodos TVS para as linhas SuperSpeed ​​que possuem a capacitância mais baixa. Mantenha o consumo de energia baixo, selecionando matrizes de diodos TVS com baixa corrente de fuga, especialmente para as linhas VBUS.

Se o seu produto for para uso na indústria automotiva, selecione as matrizes de diodos TVS que são componentes qualificados AEC-Q101 (Qualificação de teste de tensão baseada no mecanismo de falha do Conselho Eletrônico Automotivo para semicondutores discretos).

Proteção de interfaces HDMI, DisplayPort e eSATA

Um esquema de proteção semelhante é recomendado para as portas de interface de interface multimídia de alta definição (HDMI), DisplayPort e eSATA, portanto, essas três interfaces são consideradas juntas. HDMI combina vídeo de alta definição e áudio digital de um controlador de vídeo para um dispositivo de vídeo ou áudio. HDMI é conhecido como o padrão de televisão de alta definição de fato. A interface HDMI foi incorporada aos produtos desde 2004. Agora está na versão 2.1 e pode transmitir dados a uma taxa máxima de 48 Gbps.

A interface DisplayPort foi projetada para transmitir dados de vídeo de uma fonte de vídeo para um dispositivo de exibição, como um monitor de PC. Essa interface, que pode transmitir áudio e vídeo simultaneamente, substitui o padrão VGA. DisplayPort foi introduzido pela primeira vez em 2006. A versão 2.0, com uma taxa de dados alvo de 77 Gbps, deve ser concluída ainda este ano. Esta interface é compatível com a interface HDMI. A Video Electronics Standards Association mantém o padrão DisplayPort.

A interface Serial Advanced Technology Attachment (SATA), originalmente desenvolvida em um formato paralelo pela IBM para o IBM AT PC, define uma interface, que agora é a interface padrão da indústria para drives de disco. O padrão SATA externo (eSATA) evoluiu em 2004 para criar uma conexão robusta para conectividade de disco rígido externo.

A proteção dessas três interfaces, mostradas na Figura 5, de transientes prejudiciais pode exigir um único tipo de componente, uma matriz de diodo TVS de quatro linhas.

Figura 5. Proteção recomendada para interfaces HDMI, DisplayPort e eSATA

A Figura 6 mostra a configuração do arranjo de diodos TVS de 4 linhas.

Figura 6. Matriz de diodos TVS para suprimir transientes de tensão em quatro linhas de dados de alta velocidade

Matrizes de diodos TVS, como uma oferta de matriz de 4 linhas:

• Capacitância ultrabaixa de 0,2 pF, que tem um impacto insignificante no diagrama do olho da transmissão
• Corrente de fuga de 25 nA para consumo mínimo de energia
• Proteção ESD de até ± 20 kV via ar ou transmissão de contato direto
• Embalagem SOD 883 para conservar espaço na placa do PC e reduzir a complexidade do layout de rastreamento.

Proteger suas portas aumenta a robustez e a confiabilidade do produto

A proteção das interfaces de transmissão envolve a seleção de componentes que fornecem proteção para o circuito sem comprometer os sinais transmitidos. Felizmente, não são necessários muitos componentes. No entanto, há uma ampla gama de componentes a serem considerados.

Aproveite a experiência do fabricante ao projetar e selecionar componentes de proteção para economizar tempo precioso de desenvolvimento. O fabricante pode ajudar com aconselhamento sobre soluções econômicas. Proteger seu projeto contra sobrecargas de corrente e transientes de tensão resultará em um projeto robusto e confiável que aumentará a reputação de seu produto no mercado e reduzirá os custos de serviço dentro da garantia.

Referências adicionais

Para saber mais, baixe os seguintes guias, cortesia de Littelfuse, Inc.

• Guia de seleção de produtos de proteção de circuito
• Guia de design e instalação Littelfuse setP ™
• Guia de design de proteção ESD

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