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Jun 12, 2023

TDK TVS-Signalintegrität für USB4® und Thunderbolt® 4

Peripheriegeräte, die USB verwenden, sind weit verbreitet, und ihre Anschlüsse können es auch sein

Peripheriegeräte mit USB sind weit verbreitet und ihre Anschlüsse können dem Umweltphänomen elektrostatischer Entladung (ESD) ausgesetzt sein. Dies kann zu Schäden an empfindlichen elektronischen Schaltkreisen in den tragbaren Geräten führen. Der Standardansatz zur Lösung dieses Problems besteht darin, im Inneren Schutzkomponenten einzubauen, die höhere und potenziell schädliche Spannungspegel unterhalb der Schwellenwerte der ICs unterdrücken, indem sie die Überströme von den empfindlichen ICs wegleiten und die abgegebene Energie absorbieren. Diese Schutzgeräte sollten im regulären Betrieb für die Schaltung unsichtbar sein und das Kommunikationssignal auf den zu schützenden Leitungen nicht beeinträchtigen. Im Gegensatz zu USB 2.0 und den Folgegenerationen bis hin zu USB 3.2, die schon lange auf dem Markt sind und getrennt von anderen Protokollen entwickelt wurden, folgen USB4® und Thunderbolt 3 der gleichen „USB4 Electrical Compliance Test Specification“. Aus Sicht der Signalfrequenz sind Thunderbolt 3-Signale und Thunderbolt 4-Signale gleich. Daher ist auch die ESD-Schutzlösung dieselbe. In der Praxis bedeutet dies, dass ESD-Schutzlösungen, die für eines dieser Protokolle entwickelt wurden, für das andere verwendet werden können, da die in der Kommunikationsleitung verwendete Frequenz dieselbe ist.

Das USB4 Implementers Forum (USB-IF) hat am neuesten Protokoll mit dem Ziel gearbeitet, Anzeige-, Daten- und Lade-/Speicherfunktionen über einen einzigen USB4 Type-C®-Anschluss anzubieten und gleichzeitig die Kompatibilität mit dem bestehenden USB-Ökosystem, einschließlich dem, beizubehalten Kompatibilität mit Thunderbolt®-Produkten über den USB4-Typ-C-Anschluss, der auch Thunderbolt 4 (TBT4)-Systeme im Alt-Modus unterstützt [Ref: www.usb.org]. Dieser Steckverbinder hat sich aufgrund der praktischen Tatsache, dass er invertierbar steckbar ist, weithin durchgesetzt, was durch spiegelnde Stifte auf beiden Seiten des Steckverbinders erreicht wurde. Diese Pins sollten mit einem ausreichenden ESD-Schutz verbunden sein, da sie im täglichen Gebrauch leicht einem ESD-Ereignis ausgesetzt sein können.

Die folgende Abbildung zeigt die Anordnung der 24 verwendeten Pins im USB-C-Stecker. Die beste Vorgehensweise besteht darin, den ESD-Schutz so nah wie möglich an der Quelle des transienten Ereignisses, also am Stecker, anzubringen. Das bedeutet, dass miniaturisierte Überspannungsschutzgeräte benötigt werden, die nicht viel Platz beanspruchen und dennoch ausreichend Schutz bieten. Von den unten abgebildeten 24 Anschlussstiften dienen vier der Erdung und erfordern keinen Schutz. Buchsenschnittstelle [Ref: www.usb.org]

Aufgrund des umkehrbaren Designs der USB-Typ-C-Steckerspitze und der Redundanz der D+- und D--Pins an den Seiten sind 18 Pins verbunden. Die D-/D+ sind die Pins, die zum Anschluss des USB 2.0-Differentialpaars + und – verwendet werden. Es reicht daher aus, wenn die Buchsenseite beide USB 2.0-Differentialpaar-Pins unterstützt (oben und in der unteren Reihe platziert), während die Steckerausrichtung bestimmt, welches Paar aktiv ist.

GND – markiert als Ground Return, sind alle Ground Return-Pins, die auf der Platine verbunden sind. Tx- und Rx-Pins werden für Hochgeschwindigkeitsdaten verwendet, und der Schutz dieser Pins muss unter Berücksichtigung der Signalintegrität auf diesen Leitungen sorgfältig ausgewählt werden.

VBUS – Bus-Power-Pin, der höhere Spannungen und Ströme unterstützt und ein schnelles Laden über diese Pins ermöglicht. Die Nennspannung an den Bus-Pins beträgt bis zu 20 V und die Ströme bis zu 5 A bei einer maximalen Leistung von 100 W.

Zusätzlich zu den bereits erwähnten Vorteilen des USB-Typ-C-Anschlusses ermöglicht ein USB-PD-Protokoll (Power Delivery) ein schnelles Laden von Endgeräten und mehr Flexibilität für den Endbenutzer. Die für den USB-PD angegebene Spannung beträgt bis zu 48 V und kann in Kombination mit einem EPR-Kabel (Extended Power Range) verwendet werden [Referenz: „Spezifikation für USB-Typ-C-Kabelanschlüsse“, Oktober 2022], wie unten gezeigt:

Hinweise 1: Während die USB BC 1.2-Spezifikation es einem Stromanbieter ermöglicht, einen Strompegel zwischen 0,5 A und 1,5 A zu unterstützen, erfordert die USB-Typ-C-Spezifikation, dass ein Quellanschluss, der USB BC 1.2 unterstützt, mindestens dazu in der Lage sein muss Es liefert 1,5 A und bietet einen USB-Typ-C-Strom bei 1,5 A sowie Unterstützung für die USB BC 1.2-Stromversorgungsterminierung.

CC – Configuration Channel-Pins und SBU – Sideband Use-Pins werden zur Erkennung der Verbindungskonfiguration und zur zusätzlichen Nutzung des Typ-C-Steckers für andere Protokolle verwendet, die im Alternate (Alt) Mode unterstützt werden, wie zum Beispiel das HDMI-Protokoll. [Ref: USB.org]. Zusammen mit den VBUS- und Differential-Pins (D+ und D- wie oben gezeigt) sind diese Pins sogenannte Low-Speed-Signalleitungspins, während Tx/Rx-Pins mit Hochgeschwindigkeits-Kommunikationsleitungen verbunden sind. Dieser USB4-Typ-C-Anschluss ist auch der Anschluss der Wahl, um der „Einer für alle“ Peripheriegeräteanschluss für Ladegeräte in der Europäischen Union zu werden. Mit der neuen Funkgeräterichtlinie setzt das Europäische Parlament eine Harmonisierung bei Ladeanschlüssen und Schnellladetechnologie durch. Nach der Anpassung durch das Europäische Parlament und den Rat im Rahmen des ordentlichen Gesetzgebungsverfahrens (Mitentscheidung) gibt es eine Übergangsfrist von 24 Monaten, bevor es zum einheitlichen Ladegerät für EU-Länder wird. [Ref: https://ec.europa.eu/commission/presscorner/detail/en/IP_21_4613]. Weitere Standardisierungen zu USB und Laden finden sich in IEC 62680-1-2, Ed.5: 2021 „Universal Serial Bus Interface for Data and Power Part 1-2: Common Components – USB Power Delivery Specification“ und IEC 63002, Ed. 2: 2021 „Interoperabilitätsspezifikationen und Kommunikationsmethode für externe Netzteile, die mit Computer- und Unterhaltungselektronikgeräten verwendet werden“ TDK hat kürzlich TVS-Überspannungsschutzdioden eingeführt, die so konzipiert sind, dass sie die oben genannten Anwendungsanforderungen erfüllen. Der Schutz der Hochgeschwindigkeits-Tx/Rx-Pins erfordert insbesondere sorgfältig ausgewählte ESD-Geräte, da dieser Entstörer einen robusten Überspannungsschutz für die ESD-Transienten bieten muss, aber auch im regulären Betrieb das Signal auf diesen Leitungen nicht beeinträchtigen darf. Die für dieses Signal verwendeten Datenraten betragen bis zu 20 Gbit/s für USB4 20 Gbit/s und bis zu 40 Gbit/s für USB4 40 Gbit/s über zwei Paare. Das bedeutet bis zu 10 Gbit/s Datenrate für eine Leitung bzw. bis zu 20 Gbit/s Datenrate. Die entsprechende Frequenz für diese Datenraten errechnet sich grob durch Halbierung der Datenrate. Somit wäre diese Nyquist-Frequenz 10 GHz für die 40-Gbit/s-Datenrate, die mit USB4 verwendet wird, oder 5 GHz für die langsamere 20-Gbit/s-Datenrate, wie in der Tabelle unten gezeigt.

Eine parallel zu einer Datenleitung geschaltete ESD-Komponente bringt zwangsläufig eine gewisse Einfügungsdämpfung, also eine Verschlechterung der Signalqualität, mit sich. Wie stark die Komponente das Signal beeinflusst, kann anhand von Augendiagrammen für die entsprechenden Signale überprüft werden. Die beste Vorgehensweise, um sicherzustellen, dass die Komponente die Signale nicht beeinträchtigt, besteht darin, Messungen durchzuführen und zu bewerten. Es sollte ein Test durchgeführt werden, bei dem Augendiagramme der Signaltests verglichen werden, die mit einer Vorrichtung mit und ohne Komponente aufgezeichnet wurden, und zwar unter Verwendung der standardisierten Schaltung. Es sollten zwei identische Platinen vorbereitet werden, die für die Arbeit mit HF-Signalen ausgelegt sind. Wie in der folgenden Abbildung dargestellt, ist einer mit der ESD-Komponente bestückt und einer ohne Komponente.

Anschließend sollten die Messungen mit dem gleichen Testsignal verglichen werden. TDK ULC TVS-Dioden werden mit USB 3.2-Signalen getestet, und die Messungen werden vom USB-akkreditierten externen Labor, dem Eurofins Digital Testing Lab, durchgeführt, das für USB 3.2-Signaltests und Augendiagramme zertifiziert ist, mit der entsprechenden Signalmaske unten:

„Mit Gerät“ für TVS0016-WE

„Ohne Gerät“ für TVS0015-VE

Vollständiger zertifizierter USB 3.2 Gen.2-Konformitätstestbericht auf Anfrage erhältlich.

Die Tests werden auf der Grundlage des Worst-Case-Szenarios durchgeführt, dem Long-Channel-Test. Der Test wird mit einer Standard-B-Buchse, einer Kabellänge von 3 m und zusätzlichen Leiterplattenbahnen gemäß Spezifikation durchgeführt. Außerdem wird ein Test durchgeführt, der auf der Auswahl des schlechtesten Kanals für den Host und die Geräte mit Micro-B- und Typ-C-Produkten basiert. Beide TDK TVS-Dioden aus der ULC-Familie wurden wie oben getestet und bewertet und haben alle Tests bestanden. Wenn eine Schutzkomponente den Test mit den USB 3.2-Signalen besteht, bedeutet dies, dass diese Komponenten eine gute Wahl für den Schutz von Leitungen mit Signalen mit hoher Datenrate sind, mit viel Spielraum für andere auf der Leitung benötigte Komponenten, aber auch für niedrigere Datenraten . TDK ULC TVS-Dioden werden auch mit USB4-Signalen getestet. Bei diesen Tests wurde der gleiche Ansatz gewählt und die Augendiagramme sind unten dargestellt.

Auge wiederhergestellt – Verzögerung um 3,133[pS]

Auge wiederhergestellt – Verzögerung um 3,133[pS]

Auge wiederhergestellt – Verzögerung um -0,392[pS]

Auge wiederhergestellt – Verzögerung um -1,762[pS]

Wobei die Punkte TP2 und TP3 wie in der USB-Spezifikation angegeben sind, wie folgt

In der Abbildung oben befinden sich zwischen den Punkten TP2 und TP3 ein eingebetteter USB-C-Anschluss (mit S-Parametern simuliert) und ein passives Kabel (die angenommene Länge des Kabels beträgt für 10 Gbit/s 2 m und für Raten von 20 Gbit/s 0,8 m). [Ref: www.usb.org]. Bei den für die oben genannten Tests und Augendiagrammmessungen verwendeten Testsignalen handelt es sich um Nennsignale. Beim Vergleich dieser beiden Messungen der Platinen mit und ohne Komponenten sind nur minimale Unterschiede zu beobachten, z. B. sind die Jitter-Werte leicht angestiegen. Die Testergebnisse zeigen, dass TDK TVS ESD-Komponenten bei allen getesteten Signalen einen klaren Erfolg haben. TDK bietet robuste TVS-ESD-Schutzdioden, die mit USB 3.2 10 G- und USB4 20 G- und 40 G-Signalen kompatibel sind. Testberichte für die USB 3.2-Signale und USB4 für die referenzierten Teile sind auf Anfrage erhältlich. TDK TVS ESD-Schutzdioden, die mit USB 3.2- und USB4 40 G-Signalen kompatibel sind, sind in zwei Größen mit kleinen Volumina für Anwendungen mit Platzmangel erhältlich. Der SD0201SL-ULC101 der Größe 0201 der EIA (Electronic Industries Alliance), die Definition in „Wafer-Level Chip Scale“ (WL-CSP)-Verpackung, Transient Voltage Suppressors – TVS (SD0201SL-ULC101) und der SD01005SL-ULC101 der Größe 01005 gem. EIA in WL-CSP-Verpackung Transientenspannungsunterdrücker – TVS (SD01005SL-ULC101) . Aufgrund des Pad-Layouts beanspruchen beide Dioden nur sehr wenig Platz auf der Leiterplatte und außerdem ist ihr Volumen aufgrund ihres dünnen Gehäuses mit einer auf 100 µm reduzierten Höhe minimal. Dies ist ideal für Anwendungen, bei denen nicht viel Platz zur Verfügung steht. Der ESD-Schutz wird im Allgemeinen dadurch erreicht, dass die Komponente parallel zum geschützten Schaltkreis platziert wird. Sie kann zum Schutz des IC an einer beliebigen Stelle in der Leitung platziert werden. Der empfohlene Ansatz besteht darin, sie so nah wie möglich an der Störungsquelle anzuschließen und den Entstörer in der Nähe des Steckers zu platzieren. Auf diese Weise werden die möglicherweise entstehenden parasitären Induktivitäten minimiert. Alle Komponenten, die von der Quelle möglicher Transienten aus gesehen hinter den ESD-Komponenten montiert sind, sind ebenfalls geschützt. Darüber hinaus werden durch die Verwendung eines bleifreien Gehäuses auch parasitäre Induktivitäten der Pins ausgeschlossen. Daher sind SMD-ESD-Schutzgeräte für die beschriebenen Anwendungen sehr günstig. Die Dioden arbeiten schnell und die Vorteile des kleinen SMD-WL-CSP-Gehäuses für ESD-Geräte liegen auf der Hand. Betrachtet man den Signalpfad, gibt es viele mögliche Ursachen für Einfügungsverluste, die zu einer Signalverschlechterung führen können. Dazu gehören Drosseln, CMCs, Kondensatoren, Kabel, Stecker und Anschlüsse usw. Jeder Teil in der Signalleitung beeinflusst das Signal in irgendeiner Weise. Die ESD-Komponente ist ein wichtiger Teil dieser Funktionalität, da es wichtig ist, den IC vor Überspannungstransienten zu schützen. Betrachtet man die Abbildungen, die Augendiagramme für das Worst-Case-Szenario zeigen, kann man den Spielraum erkennen (unten durch violette Klammern markiert). Dieser Spielraum steht einem Entwickler zur Verfügung, um ihn für die Komponenten zu verwenden, die neben dem bereits durch die ESD-Komponente verursachten Verlust zusätzliche Einfügedämpfung entlang der Leitung verursachen. B74111U0033M060_TVS01005SL Datenblatt

Da sowohl USB4 als auch Thunderbolt 4 denselben „Testspezifikationen für die elektrische USB4-Konformität“ folgen, gelten die Testergebnisse auch für Leitungen, die Thunderbolt-Signale übertragen.

Der vollständige Lösungsschutz für die oben erläuterten Pins des USB-Typ-C-Steckers ist wie folgt.

Pins des USB-Typ-C-Anschlusses

Die entsprechenden Datenblätter erhalten Sie unter diesem Link Transient Voltage Suppressors TVS – Hochleistungs-TVS-Dioden für IKT-, Verbraucher- und Hochgeschwindigkeitsanwendungen. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die TVS-Dioden von TDK einen hochmodernen USB-ESD-Schutz bieten, der einen hervorragenden Schutz für empfindliche ICs und einen maßgeschneiderten Schutz für die USB-Typ-C-Port-Pins und auch für andere Anwendungen bietet. TVS-Dioden von TDK nehmen aufgrund ihrer Miniaturgröße und -höhe nur minimalen Platz ein und halten beim Schutz einen niedrigen Klemmspannungspegel aufrecht, ohne das Signal hoher Datenraten, beispielsweise von USB-Protokollen und anderen Protokollen mit hoher Datenrate, wie getestet, zu stören.

Weitere Informationen zur USB 4.0-Spezifikation finden Sie unter www.usb.org. USB4®, USB Type-C® und USB-C® sind eingetragene Marken des USB Implementers Forum (USB-IF). Thunderbolt® ist eine eingetragene Marke von Apple Inc..