ANP002: Robustes Design von USB 2.0 Anwendungen

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Robustes Design von USB 2.0 Anwendungen
ANP002 B VON J OCHEN B AIER
1. ESD-gerec hte USB Sc hnittstellen ______________________________
Die USB-Schnittstelle ist wohl die am weitest verbreitete PC-Schnittstelle der Welt. Auch in
Industrieanwendungen ist sie mittlerweile nicht mehr wegzudenken. Zeit, dass wir uns etwas genauer den
typischen Umgebungsbedingungen widmen, denen Industrieanwendungen ausgesetzt sind.
Dass es Bedenken bzgl. der Anfälligkeit von USB Schnittstellen gibt, wird sogar in Intel’s “High Speed USB
Platform Design Guidelines” genannt. Intel empfiehlt den Einsatz von Stromkompensierten Drosseln für EMV
Entstörung und weitere Komponenten für den Schutz gegen elektrostatische Entladung.
Würth Elektronik bietet all diese Produkte.
-
Die Stromkompensierten Datenleitungsdrosseln WE-CNSW sind speziell für die
Gleichtaktentstörung von schnellen Datenleitungen entwickelt
Zum Schutz vor ESD sind die TVS Dioden WE-TVS mit sehr niedrigen Kapazitäten (<2pF) sowie
die keramischen ESD Suppressor Serien WE-VE (Kapazitäten bis zu 0,05pF) die perfekte Wahl.
Doch für unübertroffenes EMV-gerechtes Design ist es genauso wichtig, die Spannungsversorgung (Vbus) zu
befiltern. Viele Entwickler lassen diesen wichtigen Punkt außer Acht und wundern sich beim Test im EMVLabor wenn ihr Produkt die Tests nicht besteht.
Zwei optimierte Designs von ein bzw. zwei USB-Schnittstellen werden unten gezeigt:
Chip Bead Ferrite
VBUS
D+
Rt
D+
D-
Rt
D-
Ct
Common Mode
Choke
Ct
GND
WE-TVS
VBUS
D+
DGND
Ct
Ct
Rt
Rt
Common Mode
Choke
D+
DGND
USB Port 2
USB Controller
VBUS
USB Port 1
Mit einer TVS Diode WE-TVS können zwei USB-Leitungen geschützt werden. Alle vier Signalleitungen sowie
die gemeinsame Spannungsversorgung sind gut gegen ESD geschützt.
Abbildung 1: Zwei-Port-USB-Schnittstelle mit ESD-Schutz
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Als weitere Optimierung wird mit der Strom-kompensierten Datenleitungsdrossel WE-CNSW und den
Kondensatoren ein LC-Filter aufgebaut, um eingangsseitig vorliegende Gleich- und Gegentaktstörungen zu
filtern. Auf der Spannungsversorgung wird mit einem SMD-Ferrit der WE-CBF Serie eine hervorragende
Entstörung erreicht.
Chip Bead Ferrite
VBUS
D+
Rt
D+
D-
Rt
D-
Ct
Ct
Common Mode
Choke
ESD Suppressor
GND
USB Port
USB Controller
VBUS
Varistor
Abbildung 2: Im Gegensatz zur Abschirmung der Datenleitung ist bei der Stromversorgung kein
niederkapazitiver ESD-Suppressor nötig.
Einkanal-Schutzbausteine wie die ESD Suppressor Serie WE-VE müssen immer von der Signalleitung gegen
Masse geschaltet werden. Zum Schutz der Spannungs-versorgung muss kein niederkapazitiver ESD
Suppressor verwendet werden, hier reicht ein normaler SMD Varistor völlig aus. Dieser kann sogar höhere
Energien und höhere Spitzenströme absorbieren und ist somit zu bevorzugen.
2. T VS Dioden _________________________________________________
Würth Elektronik entwickelte die TVS Dioden Array Serie WE-TVS. Diese TVS Dioden Arrays beinhalten drei
Hauptfunktionen:
-
Schutz gegen ESD Impulse gemäß EN 61000-4-2
Schutz gegen Surge Impulse gemäß EN 61000-4-5
Schutz gegen Burst Impulse gemäß EN 61000-4-4
Die WE-TVS sind hoch entwickelte TVS Dioden mit speziell entwickelter niedriger Kapazität. Sie sind die erste
Wahl, um schnelle Datenleitungen wie USB 2.0, DVI oder Ethernet von Überspannungen zu schützen. Die
WE-TVS Serie übertrifft die Anforderungen der EN 61000-4-2. Wegen der sehr geringen Kapazität (< 2,0pF)
sind sie auf den Datenleitungen quasi unsichtbar.
3. ESD Suppressor _____________________________________________
Die ESD Suppressor sind speziell entwickelte Varistoren mit niedriger und definierter Kapazität. Würth
Elektronik bietet drei verschiedene Serien an:
-
WE-VE Standard Serie: Kapazitäten von 1pF bis 120pF und Betriebsspannungen von 5V bis 24V
WE-VE “ULC” Serie: Kapazität von 0,2pF, geeignet für Signalleitungen bis zu 12V
WE-VE femtoF Serie: Kapazität von 0,05pF und Betriebsspannungen von 6V, 14V und 26V
Für die ersten beiden Serien sind auch vierfach Arrays erhältlich.
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3.1.
Warum ESD Sc hutz?
Seit es Elektronik gibt, ist sie elektrostatischer Entladung ausgesetzt. ESD Impulse haben Spannungen bis zu
30kV und sind damit sehr gefährlich für alle Arten von integrierten Schaltkreisen. Manche aktuellen ICs sind
gegen ESD „sicher“, jedoch suggerieren sie falsche Sicherheit. Die tägliche Praxis zeigt, dass ein zusätzlicher
Schutz unverzichtbar ist. Zum einen hat man nur so die komplette Platine ESD-frei, und zum anderen ist das
der einzige Weg, hochzuverlässige Produkte zu entwickeln, um die Bedürfnisse der eigenen Kunden zufrieden
stellen zu können.
3.2.
Warum Entstörung?
Mit Zunahme elektronischer Artikel im täglichen Leben wird der Bedarf nach drahtlosen Produkten immer
größer. Genau deshalb ist es wichtig, dass die eigenen Produkte immun gegen fremde Störeinstrahlungen
sind. Nur wenn man bereits jetzt die erwarteten Störeinflüsse berücksichtigt, kann man die erforderlichen
Entstörbauteile eindesignen und die Entwicklungszeit reduzieren.
Zusätzlich darf die Störausstrahlung des eigenen Produktes einen gewissen Pegel nicht überschreiten. Dies
wird von den EMV-Testlaboren sehr genau bewertet. Wenn das Produkt bei diesem Test durchfällt, werden
die Kosten für die Überarbeitung die Kosten der Entstörbauteile sehr schnell um ein Vielfaches übersteigen.
4. Untersc hiedlic he Sc hutzba usteine f ür untersc hiedlic he ___________
Anwe ndungen _______________________________________________
Es sind vier verschiedene TVS Dioden Arrays und fünf verschiedene ESD Suppressor erhältlich:
Artikel Nr.
Gehäuse
Pin
I/O / VDD
Konf.
Leitungen
VRWM
CIN
IPP
VESD
VCl ESD
2,0 pF
12 A
20 kV
13 V
VDD kann
floaten
824 011
SOT23-5L
1
2/1
5V
824 002 74
SC70-6L
2
4/1
5V
824 015
SOT23-6L
2
4/1
5V
2,0 pF
12 A
20 kV
13 V
Nein
824 001
SOT23-6L
2
4/1
5V
1,0 pF
5A
15 kV
14 V
Nein
824 014
SOT23-6L
3
4/1
5V
0,5 pF
4A
16 kV
12 V
Ja
824 014 44
MSOP-10L
823 07 050 029
0402
4
1
5V
0,2 pF
-
8 kV
17 V
-
823 06 050 029
0603
4
1
5V
0,2 pF
-
8 kV
30 V
-
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Nein
Nein
Ja
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VDD
I/O 2
I/O 4
VDD
I/O 3
I/O 4
VDD
I/O 3
5
4
6
5
4
6
5
4
Pin Configuration 4
1
2
3
1
2
3
1
2
3
NC
GND
I/O 1
I/O 1
GND
I/O 2
I/O 1
GND
I/O 2
Pin Configuration 1
Pin Configuration 2
Pin Configuration 3
Pin Configuration 5
Abbildung 3: Unterschiedliche Pin-Konfigurationen der WE-TVS-Serie
4.1.
Wie findet ma n das passende Ba uteil?
-
Es gibt eine Versorgungspannung für „Rail to Rail“ Verschaltung (GND < I/O Signal < Vcc)
 TVS Diode auswählen
-
Es gibt keine Versorgungsspannung oder keramische Bauteile werden bevorzugt
 TVS Diode auswählen, bei der VDD Pin floaten kann oder WE-VE ESD Suppressor einsetzen
-
Welche maximale Kapazität kann die Datenleitung zusätzlich vertragen damit der Augentest noch
bestanden wird?
 Für USB 2.0 sollten Kapazitäten bis zu 5pF keine nennenswerten Verzerrungen verursachen
-
Welche maximale ESD Spannung wird erwartet?
-
Sollen ein oder zwei USB Schnittstellen geschützt werden? Wird eine USB Datenleitung an zwei
I/O Pins der TVS Diode angeschlossen, ergibt dies immer einen besseren Schutz
 Array auswählen
Wir empfehlen für eine USB 2.0 Schnittstelle WE-TVS 824 011 und für zwei 824 015. Entwickler, welche
Einkanal-Schutzelemente bevorzugen, können die Artikel WE-VE ULC 823 07 050 029 bzw. 823 06 050 029
verwenden.
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5. Augendiagra mmtest __________________________________________
Nachdem das Schutzelement ausgewählt wurde muss sichergestellt werden, dass die komplette Schaltung
der USB Spezifikation entspricht. Gerade deswegen sollte man die TVS Dioden verwenden, da diese
unsichtbar für die Datenleitungen sind.
Abbildung 4: Augendiagrammtest zweier USB 2.0 Schnittstellen ohne eine Schutzelement an den Signalleitungen
Abbildung 5: Augendiagrammtest mit TVS Diode WE-TVS Art-Nr. 824 015
Der Augendiagrammtest zeigt deutlich, dass die WE-TVS das USB Signal nicht verzerrt. Ein sehr ähnliches
Ergebnis erhält man mit den anderen hier gelisteten TVS Dioden und ESD Suppressor.
Die nachfolgende Tabelle zeigt die sehr niedrige Kapazität von Leitung zu Leitung der TVS Dioden von Würth
Elektronik. Diese neue Technologie ermöglicht TVS Dioden, die auf der Datenleitung unsichtbar sind und somit
keinen Ausgleich der aufgebrachten Kapazitäten erfordern.
Artikel Nr.
Bauform
I/O
VRWM
CIN
CX
824 015
SOT23-6L
4
5
2 pF
0.1 pF
Wettbewerber S
SOT23-6L
4
5
3 pF
1.5 pF
824 001
SOT23-6L
4
5
1 pF
0.1 pF
Wettbewerber P
SOT23-6L
4
5
3 pF
1.5 pF
I/O
VRWM
Anzahl I/O Leitungen, welche die TVS-Diode schützen kann
Max. Betriebsspannung in Rückwärtsrichtung
CIN
Eingangskapazität I/O zu GND (VIN = 2,5V, VDD=5V)
CX
Eingangskapazität I/O zu I/O (VIN = 2,5V, VDD=5V)
Tabelle 1: Vergleich der Kapazitäten von verschiedenen Herstellern
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6.
Ermitt lu ng des Schutz leve ls vo n ESD Schutzele menten _______________
Die einfachste Möglichkeit ist ohne Zweifel, einen ESD Impuls auf die elektronische Schaltung zu geben und
diesen vor und nach dem Schutzbauteil aufzuzeichnen. Doch dieser Weg bringt einige Probleme mit sich.
Wegen der hohen Frequenz und dem großen Frequenzspektrum des ESD Impulses (einige MHz bis einige
GHZ) entstehen Hochfrequenzstörungen während der Messung. Die gemessene Spitzenspannung ist ein
Hinweis, ob ein Schutzbauteil besser oder schlechter ist. Sie kann jedoch nicht die absolut anliegende
Klemmspannung wiedergeben. Außerdem ist dies weder eine zuverlässige noch eine wiederholbare Messung!
Entwickler, welche sich näher mit Halbleitern beschäftigen, sind mit der TLP Messmethode vertraut.
Bei der TLP (transmission line pulsing) Messmethode erfolgen alle Messungen in einem 50-System, welche
zum einen wiederholbar und zum anderen sehr genau sind.
Ein definierter Stromimpuls (links) wird in das Schutzbauteil gepulst und die sich ergebende Spannung darüber
gemessen (mitte). Dies wird mit steigenden Stromimpulsen wiederholt. Als Ergebnis erhält man die TLP Kurve
(rechts).
100ns
1
4
6
ITLP
7
DUT
2
3
5
ITLP
7
6
VTLP
5
4
3
2
1
VTLP
Abbildung 6: TLP Messmethode mit TLP Kurve als Ergebnis der Messung
Diese Messung kann sowohl für VDD als auch für die I/O Pins erfolgen. Je niedriger die gemessene Spannung
ist, desto besser ist das Schutzbauelement und damit die Zuverlässigkeit der elektronischen Schaltung.
Dank der eingebauten Snap-Back Technologie haben die TVS Dioden von Würth Elektronik die niedrigste am
Markt erhältliche ESD Klemmspannung. Damit stellen die WE-TVS die Produkte der Wettbewerber eindeutig
in den Schatten. Dies ist mit einem Blick auf die TLP Kurven ersichtlich.
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Artikel Nr.
Bauform
I/O
VRWM
VCl,IO
VCl,VDD
VESD
CIN
IPP
824 015
SOT23-6L
4
5
12
7,5
12 kV
2 pF
12 A
Wettbewerber S
SOT23-6L
4
5
22
15,5
15 kV
3 pF
12 A
824 001
SOT23-6L
4
5
14
9
8 kV
1 pF
5A
Wettbewerber P
SOT23-6L
4
5
28
19
8 kV
3 pF
6A
I/O
Anzahl I/O Leitungen, welche die TVS-Diode schützen kann
VRWM
Max. Betriebsspannung in Rückwärtsrichtung
VCl,IO
ESD Klemmspannung am I/O Pin (IEC 61000-4-2, Kontaktentladung mit 6kV)
VCl,VDD
ESD Klemmspannung am VDD Pin (IEC 61000-4-2, Kontaktentladung mit 6kV)
VESD
Max. erlaubter ESD Impuls (IEC 61000-4-2, Kontaktentladung)
CIN
Eingangskapazität der I/O Pins zu GND (VIN = 2,5V, VDD=5V)
IPP
Max. erlaubter Impulsstrom (8/20µs)
Tabelle 2: Vergleich von VDD von verschiedenen Herstellern
VDD vs GND TLP (Transmission Line Pulsing)
16
16
14
14
12
10
8
824 015
6
824 001
4
12
10
8
824 015
6
824 001
4
Competitor S
2
I/O vs GND TLP (Transmission Line Pulsing)
18
TLP Current [A]
TLP Current [A]
18
Competitor S
2
Competitor P
0
Competitor P
0
0
5
10
15
20
25
TLP Voltage [V]
Abbildung 7: TLP Kurve verschiedener Bauteile an VDD
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30
0
5
10
15
20
25
30
TLP Voltage [V]
Abbildung 8: TLP Kurve verschiedener Bauteile an I/O
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7. Empfohle nes Layo ut für ei ne USB Sc hnittstelle __________________
Die zwei Differenzsignalleitungen (D+ und D-) werden vom Steckverbinder zur TVS-Diode (WE-TVS 824 011)
geführt und weiter über die Stromkompensierte Datenleitungsdrossel (WE-CNSW 744 232 090) zum USB
Controller, wie es auf dem linken Bild zu sehen ist. Als Ergebnis erhält man einen hervorragenden ESD Schutz
sowie eine gute Entstörung des Datenleitungspaares.
VBUS wird über die TVS Diode zum SMD-Ferrit (WE-CBF 742 792 641) geführt. Nach dem SMD-Ferrit kann
ein zusätzlicher Kondensator sowie ein weiterer SMD-Ferrit eingesetzt werden, um die höchstmögliche
Dämpfungswirkung eines PI-Filters zu erzielen.
Abbildung 9: Schutz einer USB Schnittstelle
Für sehr empfindliche IC’s und / oder hochzuverlässige Entwicklungen kann ein optimierter ESD Schutz
erreicht werden, indem die Pins der TVS Diode (WE-TVS 824 015) doppelt kontaktiert werden.
Abbildung 10: Doppelter Schutz einer USB Schnittstelle
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Entwickler, welche Einkanal-Schutzelemente bevorzugen, können die ESD Suppressor Serie WE-VE
verwenden. Diese müssen immer von D+ / D- nach GND geschalten werden.
Die anderen Bauteile werden wie hier gezeigt verschaltet.
Abbildung 11: Schutz mit Einkanal Bauelementen
7.1.
Empfohle nes Layo ut für zwei USB Schnittstelle n
Die Verdrahtung erfolgt analog zum Schutz einer USB-Leitung. Weiter werden exakt die gleichen Bauteile
verwendet, somit wird der Schutzpegel auch identisch sein.
Abbildung 12: Schutz zweier USB Schnittstellen
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8. Schnittstellen Laborsorti ment _________________________________
Für schnelles und einfaches Design von Schnittstellen hat Würth Elektronik ein spezielles SchnittstellenLaborsortiment entworfen. Dieses Sortiment beinhaltet Designhinweise zu USB 1.1 bis USB 3.0, CAN,
Ethernet, VGA, DVI, RS232 und RS485 Schnittstellen sowie alle Komponenten, die dazu verwendet werden
können. Dies sind ESD Suppressor, Stromkompensierte SMD Datenleitungsfilter, SMD Ferrite, Ethernet
Übertrager sowie eine Auswahl der jeweils passenden Steckverbinder.
Insgesamt sind 35 verschiedene passive Bauteile mit 235 Einzelbauteilen und vier Test Platinen enthalten.
Das Farbschema macht die Auswahl der in Frage kommenden Bauteile für die gewünschte Schnittstelle
einfach. Dazu muss man nur den applikationsspezifischen Farben folgen und das gewünschte Bauteil
auswählen.
Für jede Applikation gibt es ein Blockschaltbild, in welchem man erkennt, welches Bauteil für das beste
Ergebnis wo in der Schaltung einzusetzen ist. Probieren Sie es aus – es ist jeden Cent wert!!
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entscheiden, ob das Gerät mit den in der Produktspezifikation beschriebenen spezifischen Produktmerkmalen für die
jeweilige Kundenanwendung zulässig und geeignet ist oder nicht.
Die technischen Daten sind im aktuellen Datenblatt zum Produkt angegeben. Aus diesem Grund muss der Kunde die
Datenblätter verwenden und wird ausdrücklich auf die Tatsache hingewiesen, dass er dafür Sorge zu tragen hat, die
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solchen Einsatzes vor Beginn der Planungsphase (Design-In-Phase) informieren. Bei Kundenanwendungen, die ein
Höchstmaß an Sicherheit erfordern und die bei Fehlfunktionen oder Ausfall eines elektronischen Bauteils Leib und Leben
gefährden können, muss der Kunde sicherstellen, dass er über das erforderliche Fachwissen zu sicherheitstechnischen
und rechtlichen Auswirkungen seiner Anwendungen verfügt. Der Kunde bestätig und erklärt sich damit einverstanden,
dass er ungeachtet aller anwendungsbezogenen Informationen und Unterstützung, die ihm durch WE gewährt wird, die
Gesamtverantwortung für alle rechtlichen, gesetzlichen und sicherheitsbezogenen Anforderungen im Zusammenhang mit
seinen Produkten und der Verwendung von WE-Produkten in solchen sicherheitskritischen Anwendungen trägt. Der Kunde
hält WE schad- und klaglos bei allen Schadensansprüchen, die durch derartige sicherheitskritische Kundenanwendungen
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