Consejos de diseño para proteger interfaces de alta velocidad

En esta segunda entrega de la serie "¡Proteja sus puertos! Los mejores consejos de diseño para mantener sus comunicaciones conectadas", exploramos cómo se ve la protección de interfaces de alta velocidad. como, incluidos USB, HDMI, DisplayPort y eSATA.

Existen numerosos circuitos y protocolos de comunicación para servir a una amplia gama de aplicaciones. Dado que estos circuitos transmiten y reciben datos entre dispositivos separados, los puertos de las interfaces están sujetos a amenazas externas a sus circuitos. Estas amenazas incluyen sobrecargas de corriente y transitorios de voltaje de rayos, transitorios eléctricos rápidos (EFT) y descargas electrostáticas (ESD).

Estos circuitos requieren protección contra el daño causado por estas amenazas externas, pero el protocolo de transmisión de la interfaz no puede verse comprometido. Con los esquemas de protección implementados, los circuitos de comunicación deben transmitir de manera confiable datos no corruptos; y el receptor debe detectar y decodificar la información con precisión para que los datos originales se recuperen por completo.

Este artículo es el segundo de una serie sobre la protección de interfaces de comunicación. El primero presentó soluciones para proteger los puertos de las interfaces de alimentación a través de Ethernet. Este artículo presenta a los ingenieros de diseño electrónico recomendaciones para proteger las interfaces de alta velocidad sin comprometer el rendimiento de transmisión / recepción o interferir con las limitaciones de tamaño del producto.

Se consideran cuatro protocolos de comunicación:

• los estándares de bus serie universal (USB) que continúan evolucionando con formatos de mayor velocidad,
• la interfaz multimedia de alta definición (HDMI),
• la interfaz DisplayPort,
• y el accesorio de tecnología avanzada en serie externa (eSATA).

El propósito de estos estándares y sus anchos de banda máximos actuales se describen en la Tabla 1.

Tabla 1. Protocolos de comunicación, función y velocidad máxima de datos

Interfaces USB

El puerto USB es omnipresente en computadoras personales, periféricos de computadora, instrumentos electrónicos de prueba y medición y muchos otros productos. La interfaz USB permite una conexión fácil y rápida entre computadoras, dispositivos inteligentes y dispositivos periféricos. Se estandarizó por primera vez en 1996 y ha ido evolucionando con velocidades más altas y permitiendo una mayor capacidad de transporte de energía para cargar dispositivos que funcionan con baterías.

El Foro de Implementadores de USB (USB-IF) ha actualizado el estándar a través de cuatro revisiones importantes. El estándar USB con cable comenzó con la versión 1.0 y ha progresado hasta la versión 2.0, las versiones 3.xy actualmente está hasta la revisión 4, USB4.

La Tabla 2 enumera las versiones de 2.0 a USB4 y muestra cómo el rendimiento máximo de cada versión ha aumentado sustancialmente.

Tabla 2. Las versiones actualmente activas de la interfaz USB y sus velocidades máximas de transferencia de datos

Las diferentes velocidades de datos permiten que un puerto USB interactúe con dispositivos que van desde teclados lentos hasta dispositivos de video de alta velocidad. Los diseñadores pueden aprovechar una interfaz generalizada en la que las líneas de señal no están dedicadas a una función específica de un tipo de dispositivo. Además, los diseñadores pueden configurar interfaces USB para que tengan baja latencia para funciones de tiempo crítico o para permitir grandes transferencias de datos que operan en segundo plano.

Además, el estándar define las revisiones de suministro de energía (PD) para las versiones de USB 1 a 3. Las revisiones de PD permiten que los dispositivos se carguen y alimenten a través de la interfaz USB. La capacidad de potencia ha aumentado de 2,5 W (5 V a 0,5 A) a 100 W (20 V a 5 A).

Los conectores USB también han evolucionado para permitir velocidades de datos más altas y una mayor disponibilidad de energía. La Figura 1 muestra las configuraciones de clavijas y el tamaño relativo del conector para los distintos conectores utilizados para cada versión de USB. La Tabla 3 muestra la velocidad máxima de datos que puede alcanzar cada conector.

Figura 1. Conectores USB diseñados para los distintos estándares USB

Tabla 3. Velocidades de datos máximas para los tipos de conectores USB

Protección de una interfaz USB 2.0

La interfaz USB 2.0 consta de una línea de alimentación VBUS y dos líneas de datos como se muestra en la Figura 2a.

Figura 2. Componentes de protección recomendados para interfaces USB 2.0 y USB 3.2

La línea VBUS, que puede recibir su energía de la línea de energía de CA, está sujeta a sobrecargas de corriente y transitorios de voltaje que se propagan en la línea de energía de CA. Se debe instalar un fusible reiniciable en la línea VBUS para proteger contra sobrecargas, de modo que cuando se resuelva la sobrecarga, el fusible reiniciable se reiniciará y el circuito podrá continuar funcionando.

Un fusible de polímero de coeficiente de temperatura positivo (PPTC) es un fusible reiniciable cuya resistencia aumenta significativamente debido al calor generado por una sobrecarga de corriente. La estructura interna del fusible PPTC cambia durante una sobrecarga para provocar un aumento de la resistencia. Cuando el dispositivo se enfría, se restaura la estructura de baja resistencia. Estos fusibles están diseñados para circuitos de bajo voltaje donde el voltaje máximo es comúnmente de 24 V.

Otras características de los fusibles PPTC son:

• Resistencia ultrabaja, que va desde mΩ hasta aproximadamente 2 Ω, cuando fluye corriente por debajo de la clasificación de disparo del fusible
• Amplia gama de valores nominales de corriente de 100 mA a 9 A
• Tiempo de viaje rápido
• Embalaje de montaje en superficie que ahorra espacio en tamaños 0402 hasta 2920
• Reconocimiento de componentes UL y aprobación TUV.

Para proteger el circuito alimentado por la línea VBUS de los transitorios inducidos por la línea eléctrica y las descargas electrostáticas (ESD), use una matriz de diodos supresores de voltaje transitorio unidireccional (TVS). Las versiones de este tipo de matriz de diodos proporcionan:

• Capacidad para absorber de forma segura hasta 40 A de un transitorio eléctricamente rápido y 5 A de un rayo
• Capacidad para resistir un impacto ESD de ± 30 kV ya sea por aire o por contacto directo
• Corriente de fuga baja máxima de 0.5 µA en circuitos de 5 V
• Un paquete de montaje en superficie 0201 que ahorra espacio

Asegúrese de proteger las líneas de datos de los voltajes transitorios que pueden dañar la transmisión de datos. Considere una matriz de diodos TVS de 4 canales para la protección de la línea de datos.

Las matrices de diodos como la que se muestra en la Figura 3 tienen las siguientes capacidades:

• Absorción segura de un impacto ESD de +22 kV a través del aire o un golpe de contacto directo y un golpe de ESD de - 10 kV a través del aire o contacto directo
• Impacto mínimo en las líneas de datos con una capacitancia de 0.3 pF por pin a tierra.
• Baja corriente de fuga de 10 nA para carga mínima en el circuito.

Por lo tanto, solo se requieren tres componentes para proteger completamente un puerto USB 2.0.

Figura 3. Matriz de diodos TVS de 4 canales con un diodo Zener para protección de voltaje transitorio

Protección de una interfaz USB 3.2

Como se muestra en la Figura 2b anterior, la interfaz USB 3.2 comprende una línea VBUS y seis líneas de datos y control. Utilice los mismos componentes recomendados para proteger la línea VBUS como se explicó para la interfaz USB 2.0 de eventos de sobrecorriente y sobretensión. Para proteger las seis líneas de datos de los transitorios de voltaje, considere una matriz de diodos TVS discreta en cada puerto.

Las matrices de diodos TVS individuales pueden tener estas capacidades:

• Absorción segura de hasta 40 A de corriente pico de un transitorio eléctricamente rápido
• Protección ESD hasta ± 18 kV en el aire y ± 12 kV por contacto directo
• Baja corriente de fuga con un valor máximo de 20 nA
• Baja capacitancia de 0.09 pF pin-pin que no compromete la integridad de la señal

El uso de diodos TVS individuales proporciona una mayor protección del puerto USB de mayor velocidad con componentes de menor capacitancia para un impacto mínimo en la capacidad de transmisión de datos.

Protección de las interfaces USB 3.2 y USB 4.0 de alta velocidad con las revisiones de suministro de energía

El USB 3.2 Gen 2x1 y versiones superiores requieren el uso del conector Tipo-C. Como puede verse en la Figura 1, el conector tipo C es un conector de alta densidad. Como resultado, el conector Tipo-C puede ser susceptible a cortocircuitos resistivos entre los contactos debido al polvo y la suciedad que pueden ingresar al conector.

Con hasta 100 W en las clavijas de alimentación, la posibilidad de daños en el conector y los circuitos asociados siempre está presente. Proteja el conector USB Tipo-C del calor asociado con la falla resistiva usando un indicador de temperatura digital en la línea del Canal de Configuración (CC) como se muestra en la Figura 4.

Figura 4. Componentes de protección recomendados para interfaces USB 3.2 y USB 4.0 Type-C

Con el indicador de temperatura digital en la línea CC, puede proporcionar una protección precisa durante cualquier condición de energía, desde el nivel más bajo, como 5W, hasta la capacidad máxima de USB-C, 100W. Consulte el estándar USB Type-C para obtener más detalles sobre la implementación de esta función de protección térmica.

Para protección contra transitorios, considere usar diferentes versiones de matrices de diodos TVS. Seleccione una matriz de diodos TVS para las líneas SuperSpeed ​​que tenga la capacitancia más baja. Mantenga bajo el consumo de energía seleccionando arreglos de diodos TVS con baja corriente de fuga, particularmente para las líneas VBUS.

Si su producto se utilizará en la industria automotriz, seleccione matrices de diodos TVS que sean componentes calificados por AEC-Q101 (Calificación de prueba de esfuerzo basada en mecanismos de falla del Consejo de electrónica automotriz para semiconductores discretos).

Protección de interfaces HDMI, DisplayPort y eSATA

Se recomienda un esquema de protección similar para los puertos de interfaz de interfaz multimedia de alta definición (HDMI), DisplayPort y eSATA, por lo que estas tres interfaces se consideran juntas. HDMI combina video de alta definición y audio digital desde un controlador de pantalla a un dispositivo de visualización de video o un dispositivo de audio. HDMI se conoce como el estándar de televisión de alta definición de facto. La interfaz HDMI se ha incorporado a los productos desde 2004. Ahora está en la versión 2.1 y puede transmitir datos a una velocidad máxima de 48 Gbps.

La interfaz DisplayPort está diseñada para transmitir datos de video desde una fuente de video a un dispositivo de visualización como un monitor de PC. Esta interfaz, que puede transmitir audio y video simultáneamente, reemplaza el estándar VGA. DisplayPort se introdujo por primera vez en 2006. Se espera que la versión 2.0, con una velocidad de datos objetivo de 77 Gbps, se complete a finales de este año. Esta interfaz es compatible con la interfaz HDMI. La Video Electronics Standards Association mantiene el estándar DisplayPort.

La interfaz Serial Advanced Technology Attachment (SATA), desarrollada originalmente en un formato paralelo por IBM para IBM AT PC, define una interfaz, que ahora es la interfaz estándar de la industria para unidades de disco. El estándar externo SATA (eSATA) evolucionó en 2004 para crear una conexión robusta para la conectividad del disco duro externo.

La protección de estas tres interfaces, que se muestran en la Figura 5, de los transitorios dañinos puede requerir un tipo de componente único, una matriz de diodos TVS de cuatro líneas.

Figura 5. Protección recomendada para interfaces HDMI, DisplayPort y eSATA

La Figura 6 muestra la configuración de la matriz de diodos TVS de 4 líneas.

Figura 6. Matriz de diodos TVS para suprimir transitorios de voltaje en cuatro líneas de datos de alta velocidad

Las matrices de diodos TVS, como una matriz de 4 líneas, ofrecen:

• Capacitancia ultrabaja de 0.2 pF que tiene un impacto insignificante en el diagrama del ojo de transmisión
• Corriente de fuga de 25 nA para un consumo de energía mínimo
• Protección ESD hasta ± 20 kV ya sea por aire o transmisión de contacto directo
• Empaque de SOD 883 para conservar espacio en la placa de circuito impreso y reducir la complejidad del diseño de la traza.

La protección de sus puertos mejora la solidez y confiabilidad del producto

La protección de las interfaces de transmisión implica la selección de componentes que brindan protección al circuito sin comprometer las señales transmitidas. Afortunadamente, no se requieren muchos componentes. Sin embargo, hay una amplia gama de componentes a considerar.

Aproveche la experiencia de un fabricante al diseñar y seleccionar componentes de protección para ahorrar un valioso tiempo de desarrollo. El fabricante puede ayudar con el asesoramiento sobre soluciones rentables. La protección de su diseño contra sobrecargas de corriente y transitorios de voltaje dará como resultado un diseño robusto y confiable que mejorará la reputación de su producto en el mercado y reducirá los costos de servicio en garantía.

Referencias adicionales

Para obtener más información, descargue las siguientes guías, cortesía de Littelfuse, Inc.

• Guía de selección de productos de protección de circuitos
• Guía de instalación y diseño de Littelfuse setP ™
• Guía de diseño de protección ESD

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