Kiss Zoltán - kelet-Európai értékesítési vezető Endrich GmbH.
Nagy sebességű kommunikációs portok ESD elleni védelme
2014 május 16.
Összefoglalás :
Az ESD tranziens olyan potenciális fenyegetést jelent az elektronikai készülékek I/O portjai számára, ami ellen a konstruktőrnek feltétlenül védekezni kell, mindemellett az alkalmazott megoldás nem befolyásolhatja jelentősen az átviteli sebességet. A TVS diódákról szóló általános írásunkban részletesen körüljártuk az elektrosztatikus feltöltődés elleni - tranziens szupresszor diódával való - védekezés alapjait. Ebben a cikkben szeretnénk konkrét megvalósítási példákon keresztül bemutatni a leggyakrabban használt I/O portok számára fejlesztett ESD védőeszközöket, valamint a vonatkozó szabványi előírásokat. Részletesen bemutatjuk az USD, HDMI és Ethernet portok számára ajánlott eszközöket és megoldásokat.
Túlfeszültség elleni védelem TVS diódával
Az elektronikai eszközök a külvilág felé I/O portokon keresztül kommunikálnak, melyek megfelelő védelem hiányában támadási felületet jelentenek az elektrosztatikus kisülés (ESD), az elektronikus gyors tranziens (EFT) vagy surge jellegű túlfeszültségek számára, potenciális fenyegetést jelentve a belső áramköri elemekre. Az alkalmazott túlfeszültségvédő eszközök ráadásul nem csökkenthetik a port adatátviteli sebességét. A tradicionális, egyszerű kondenzátoros védelem a nagy frekvencia miatt nem használható, mert az adatvonalak kapacitását minimális szinten kell tartani.
| ADATÁTVITELI SEBESSÉGEK | ||
|---|---|---|
| PORT JELLEGE | SEBESSÉG Mbit/S | KAPACITÁS pF |
| RS-232 | 0.20 | < 50 |
| T1 | 1.544 | < 30 |
| E2 | 2.048 | |
| I2C | 3.4 | |
| Ethernet | 10 | |
| USB 1.1 | 12 | < 20 |
| E3 | 34.368 | |
| RS-485 | 35 | |
| T3 | 44.736 | |
| Fast Ethernet | 100 | < 5 |
| T5 | 400.352 | < 3 |
| USB 2.0 | 480 | |
| E5 | 565.148 | |
| IEEE-1394b | 786.432 | |
| GigabitE | 1000 | |
| DVI | 3960 | < 1 |
| USB 3.0 | 5000 | |
| DisplayPort | 5400 | |
| SATA 3.0 | 6000 | |
| HDMI 1.3 | 10200 | |
| HDMI 2.0 | 18000 | |
Az IEC 61000-4-2 szabvány definiálja az emberi test által keltett ESD esemény lefolyását, és feszültség tekintetében négy szintet különböztet meg, egészen 8kV kontakt és 15kV levegő kisülés értékig. A szabvány célja, hogy a tervezőket segítse az elegendő mértékű védelem kiválasztásában, legyen a tranziens ESD, EFT, surge, villám vagy helytelen bekötés következménye.
| Level | Contact Voltage (BV) | Air Discharge Voltage (kV) | Peak Contact Current (A) | Contact Current @30ns (A) | Contact Current @60ns (A) |
|---|---|---|---|---|---|
| Level 1 | 2 | 2 | 7.5 | 4 | 2 |
| Level 2 | 4 | 4 | 15 | 8 | 4 |
| Level 3 | 6 | 8 | 22.5 | 12 | 6 |
| Level 4 | 8 | 15 | 30 | 16 | 8 |
Az emberi test modell alapján definiált tranziens lefolyása az ábra szerinti, a felfutás 1 ns alatt és a lefutás 60 ns körüli időtartamot vesz igénybe.
A félvezetőgyártók gyakran az 1-es szintű (Level 1) védelmet (1-2 kV) beépítik az eszközeikbe a gyártás során fellépő zavarok hatásának minimalizálására, azonban a valós körülmények közt fellépő ESD akár 15kV is lehet, ezért a beépített védelmet csak másodlagos szintnek szabad tekinteni és szükség van egy primer védelemre is 8kV kontakt és 15kV levegő kisülés impulzusok ellen.
Az ESD védelem kiválasztásánál figyelembe kell venni a következőket:
- Az eszközre jellemző trigger feszültség, mely alatt a védelem láthatatlan
- A védőeszköz ún. „overshoot” feszültsége, ahol az megszólal
- A feszültségkorlát mértéke (clamping voltage), melyre a védőeszköz a kimenetén megjelenő feszültséget korlátozza
Adatvonalak túlfeszültség védelme
A tápegységekben megtalálható nagyszámú induktív és kapacitív passzív komponens jelenléte miatt ezek az eszközök általában immunisak az ESD-re, igaz a tápvonalakat védeni szokták. Az adatvonalakon alkalmazott túlfeszültségvédő eszközök kapacitása azonban komoly problémát jelent magas baud rate esetén. A soros ellenállás a terhelés kapacitásával együtt alkotja ez első szűrőt, mely lassítja a jel fel és lefutását. A hatásos ellenállás csökkentése lehetséges a réz keresztmetszetek növelésével, de a kapacitás csökkentése jelenti az igazi megoldást a nagy sebességek eléréséhez.
USB portok védelme
Az univerzális soros buszrendszerek nagyarányú elterjedése ipari szabvánnyá tette ezt a megoldást a számítástechnikai és szórakoztató elektronikai termékek piacán. Mára nemcsak az adatátvitelben, de a készülékek töltésében is jelentős szerepet kapott. A hot-swap jelleg és a rendkívül sok lehetséges meghibásodás miatt ezeket az eszközöket túláram és túlfeszültség ellen is védeni kell. Az USB 1.1 12 Mbps, a 2.0-ás szabvány 480 Mbps az új 3.0 szabvány pedig akár 5 Gbps adatátviteli sebességet támogat, emiatt rendkívül fontos a kis kapacitású TVS dióda alkalmazása.Az USB 1.1 és 2.0 védelmére a Protek Devices a PLR0502 eszközt fejlesztette ki, mely SOT-543 tokozásban az 5V-os Vbus vonal ESD, védelmét szolgálja. Mindezt 0.6 pF kapacitásértékkel teszi, szinte alig jelenlévő szivárgási árammal, így akár a 2.0-ás szabvány 480 Mbps adatátvitele mellett sem jelent problémát használata.
Az USB 3.0 2008. Novemberi megjelenése generációs váltást hozott a technológia számára, az adatátviteli vonalakat megháromszorozta (3 differenciális érpár az eddigi egy helyett), lefele történő kompatibilitást biztosítva az USB 2.0 HS, FS és LS módjaival, míg bevezette a SuperSpeed nagysebességű adat link módot. Ez a konstrukció az eddigiektől eltérő kábel specifikációt eredményez, 3 differenciálisan csatolt jelvonalat (Tx+/Tx download, Rx+/Rx-upload és D+/D-), valamint két külön vezetéket a Vcc és a GND számára. A Protek TVS megoldása a PLR0506, mely DFN-8 tokozásban 6 vonal számára kínál ESD védelmet 0.8 pF kapacitással. Kiegészítésképpen a Vbus vonal megvédhető a GBLC05C vagy PSD05C eszközökkel.
HDMI portok védelme
A HDMI szabványt a nagy felbontású video és audio jelek egy kábelen való továbbítására fejlesztették ki, ennél fogva igen gyors, 18Gbps adatátviteli sebesség jellemzi. Mivel ez a port jellemzően fogyasztási termékekben használatos, gyakorlatilag elegendő az ESD védelem alkalmazása. A Protek két megoldást kínál a 12 adatvonal védelmére, két 6 vonalas PLR0506 vagy három négyvonalas PLR0524P mátrixot használhatunk. Mindkét megoldás igényli a Vbus vonal ESD és surge elleni védelmét egy diszkrét védődióda, a PSD05HP beépítésével.
Ethernet portok védelme
Az Ethernet port védelmének első eleme maga az elválasztó transzformátor, mely elsődlegesen a jelfeldolgozó elektronika és az adatvonalak elválasztását biztosítja. Egy átlagos Ethernet transzformátor általában képes elviselni 200-300A 2/10μs tranzienst, ha ez elegendő, akkor csak szekunder oldali védelemre van szükség, hogy az Ethernet IC-t megvédjük a telítésig átvitt tranziens energiától. ami azt túlterhelné. TVS diódás megoldás másodlagos védelemként használhatunk, ilyen például a PLR0504F eszköz.
A transzformátor primer oldalán történő védekezés célja az az RJ45 csatlakozón keresztül érkező nagy energiájú zavar minimalizálása, ha a transzformátor nem jelent önmagában elegendő védelmet. Egy SRV25-4 eszköz az Rj45 csatlakozó közelében való elhelyezése 25kV ESD és 40A 8/20μs surge elleni védelmet nyújt, mindemellett a 3.5 pF kapacitása elegendően alacsony a nagysebességű adatátvitelhez.
Alternatív megoldás lehet a PLC03-3.3 (3.3V-os rendszerekhez), vagy PLC03-6 (5V-os rendszerekhez) használata, melyek integrált TVS diódát és dióda hidat is tartalmaznak.
A különböző portok védelmére fejlesztett dedikált megoldások közül a helyes kiválasztásához igyekszik segítséget adni a következő táblázat is.
| APPLIKÁCIÓ | KOMBINÁLT TVS | DISZKRÉT TVS | ALTERNATÍVÁK |
|---|---|---|---|
| DVI | PLR0502, PLR0508 | PLR0521, GBLC03/05CI | PLR0504F, PLR0506, PLR0524 |
| Fast Ethernet | SRV05-4, PLC03-6 | GBLC03/05C | PLR3304, SRV05-4M, SRV05-4LC |
| GigabitE | PLR0524, SRV25-4 | GBLC03CIHP, GBLC03/05CI | SLVU2.8-4, SRV05-4 |
| HDMI | PLR0506, PLR0524P | PLR0521, GBLC03/05CI | PLR0504F |
| I2C | DSOT0502 | GBLC03/05CI, PLR0521 | PSOTxx/C, GBLCxx/C |
| RS-485 | PSM712, PSLC12C | PSD12 | 485ELC |
| SATA 3.0 | PLR0524 | PLR0521, GBLC03/05CI | PLR0506 |
| Smart Battery | DSOT0502 | PSD05, P0402FC05C, PSOT05C | VSMF05LC |
| T1/E1 | PLC03-3.3, PLR3304 | GBLC03/05C | PLC03-6, SRV05-4 |
| T3/E3 | PLC03-3.3, PLR3304 | GBLC03/05C | PLC03-6, SRV05-4 |
| USB 2.0 | PLR0502, PLR0524, PLR0506 | PLR0521, GBLC03/05CI | PLR0504F |
| USB 3.0 | PLR0506, PLR0524 | PLR0521, GBLC03/05CI | PLR0502 |
| Megosztás a Facebookon | Megosztás a LinkedIn-en |
Hivatkozások
A cikk megjelent az alábbi helyeken:
| # | Média | Link |
|---|---|---|
| 1 | Elektronet 2014/4 | Elektronet : elektronikai informatikai szakfolyóirat, 2014. (23. évf.) 4. sz. 22-24. old. |
| 2 | Elektronet online | Nagy sebességű kommunikációs portok ESD elleni védelme Protek TVS diódával |
| 3 | English version | Effective over-voltage protection solutions for the high speed I/O ports |