Защита USB от статического электричества

Обновлено: 02.07.2024

Схемы нового поколения в современной бытовой и промышленной электронике стали меньше, быстрее и лучше. Потребители любят инновации. Но инженеры-испытатели не столь восторженны. Потому что у этого нововведения есть поразительный недостаток: повышенная восприимчивость к электростатическому разряду.

Если используемые вами USB-устройства не рассчитаны на суровые условия эксплуатации, может случиться и, скорее всего, произойдет катастрофический сбой. Вам придется сообщить высшему руководству, что все ваши электронные компоненты сгорели из-за того, что ваши средства защиты от электростатического разряда не сработали.

Сбои в защите от электростатического разряда — это плохо, поэтому наши USB-концентраторы и коммутаторы рассчитаны на то, чтобы выдерживать электростатический разряд ±15 кВ.

При разработке USB-устройств Acroname мы рассмотрели несколько проблем, связанных с электростатическим разрядом:

Нестандартные решения

Стандартные меры по смягчению последствий электростатического разряда в промышленных и производственных средах недостаточны для защиты от ударов электростатического разряда. Вы должны пойти на шаг дальше, чем «стандарт», и мыслить нестандартно — как в случае с антистатическими покрытиями. (Покрытия ESD на USB-устройствах Acroname стратегически расположены для максимальной защиты.)

Направление и рассеяние

Engineering 101 научил нас, что электрические токи идут по пути наименьшего сопротивления. Конденсаторы обеспечивают расположение с низким сопротивлением для «вытягивания» и «сохранения» токов электростатического разряда до тех пор, пока мощность не будет рассеиваться и сливаться на землю/землю.

В USB-портах Acroname реализована схема, которая отводит токи электростатического разряда от чувствительных компонентов. Мы сотрудничали с Pragma Design, чтобы улучшить обработку событий ESD. Используя картографическую технологию, инженеры продемонстрировали, как энергия рассеивается от прямого разряда электростатического разряда на часть USBHub3+.

Иллюстрация сопоставления (обратите внимание: звука нет):

Но даже небольшая емкость, используемая для защиты от электростатического разряда, может оказаться слишком большой для высокоскоростных линий передачи данных, используемых на USB-устройствах.

Диоды для подавления переходных напряжений (TVS) обеспечивают оптимальное решение этой проблемы. Диоды TVS, разработанные для защиты высокоскоростных линий передачи данных от электростатического разряда, обладают сверхнизкой емкостью и низким напряжением электростатического разряда.

TVS и измерение импульса линии передачи (TLP)

Импульс линии передачи (TLP) предоставляет кривые зависимости тока от напряжения (ВАХ), в которых каждая точка данных получена из прямоугольного импульса длительностью 100 нс от заряженной линии передачи. Кривые TLP I-V демонстрируют способность USB к электростатическому разряду — 10-секундная шкала ампер и менее 100 нс временная шкала соответствуют характеристикам события электростатического разряда.

Размещение TVS на линиях передачи данных между USB-портом и USB-контроллером может быстро шунтировать ток электростатического разряда на землю/землю. Диоды TVS могут шунтировать ток 10 100 А в наносекундном масштабе.

Чтобы устранить временную угрозу, диод TVS следует разместить как можно ближе к порту USB. (Для приложений концентратора USB 3.0 устройство должно быть размещено между конденсаторами связи по переменному току и разъемом ввода-вывода на дифференциальных линиях TX.)

Диоды TVS соответствуют стандартам IEC 61000-4-2 (уровень 4) и не содержат PB, галогенов/бромированных антипиренов и соответствуют требованиям RoHS.

Решения Acroname

Каждый USB-накопитель Acroname сертифицирован по стандарту IEC6100-4-2 уровня 4 и выдерживает удары электростатическим разрядом ±15 кВ

Поскольку нет хорошего способа сообщить вашему высшему руководству, что забастовка по электростатическому разряду вывела из строя дорогостоящее оборудование; ни по электронной почте, ни лично, ни во время телефонного звонка — мы учли все: пути заземления, пути постоянного тока, выбор компонентов и их размещение, а также антистатические покрытия.

Продукты Acroname USB можно программировать и изменять с помощью нашей технологии BrainStem® и элементов управления HubTool. Они прочны, надежны и быстро реагируют во время тщательного тестирования. Когда необходимо обновить устройства, BrainStem® доставляет товары удаленно. Вам не придется иметь дело с отзывами, доставкой и длительными задержками. Вся продукция Acroname собирается и тестируется в США.

Серьезно, мы все продумали. Взгляните на нашу линейку USB-продуктов:

Программируемый промышленный концентратор USB 2.0 Acroname (4 порта) лучше всего подходит для сред тестирования и разработки

USBHub2x4 имеет прочный металлический корпус и использует технологию Acroname BrainStem® и HubTool для управления концентратором. USBHub2x4 позволяет инженерам переключать и контролировать данные, мощность и пределы тока. Каждый порт может работать отдельно: линии передачи данных и питания можно включать и выключать; запрограммирован на ограничение тока до 2,5 ампер; установить задержку перечисления для управления синхронизацией нисходящего устройства; может усилить сигналы данных USB для передачи длинных кабелей и других сложных настроек подключения.

Программируемый промышленный USB 2.0 концентратор (4 порта): программируемый USB-концентратор с программным управлением, 2 подключения к хосту и 4 подключения для устройств с быстрой зарядкой (2,5 А). Переключайте и контролируйте данные, мощность и пределы тока отдельно. Повышайте уровень сигнала USB, чтобы учесть сложные условия подключения. Прочный стальной корпус и защита от электростатического разряда до 15 кВ.

Программируемый промышленный 4-портовый порт Acroname Type-C предназначен для расширенного управления при мониторинге портов USB Type-C

Acroname USB-C-Switch — это программируемый двунаправленный 4-канальный переключатель портов USB-C. Используемый крупными OEM-производителями и CM по всему миру, он автоматизирует тестирование и проверку в производственных и тестовых средах и обеспечивает управление в любой сложной системе USB-C или USB.

Коммутатор USB-C-Switch в прочном стальном корпусе, созданный на основе технологии Acroname BrainSteam®, поддерживает расширенные протоколы: USB-PD, Apple CarPlay, Android Automotive и альтернативные режимы, такие как HDMI, DisplayPort, DVI и т. д.). Вы можете использовать USB-C-Switch в качестве мультиплексора 1:4 или 4:1. Он также обеспечивает питание Keep-Alive-Charge (KAC) для невыбранных портов.

Программируемый промышленный 4-портовый коммутатор USB Type-C: программно-управляемый двунаправленный 4-канальный переключатель портов USB-C. Включает в себя встроенные драйверы USB-сигнала ReDrivers для более длинных кабелей. Автоматизируйте переключение портов, горячее подключение и переключение разъемов типа C. Контролируйте напряжение и ток Vbus и Vconn. Поддержка USB-PD и альтернативных режимов. Прочный стальной корпус и защита от электростатического разряда.

USBHub3+ защищает от частых электростатических разрядов, защищая дорогостоящее лабораторное и производственное оборудование в тяжелых условиях испытаний. Это дает инженерам дополнительные возможности для настройки приложений для тестирования и разработки USB.

Дополнительную информацию можно найти здесь.

Нужна дополнительная информация?

Наши инженеры и специалисты по работе с клиентами находятся в Боулдере, штат Колорадо. Команды всегда готовы ответить на ваши вопросы или помочь устранить неполадки и решить проблемы, связанные с электростатическим разрядом.

Добро пожаловать в наш последний выпуск серии приложений USB 2.0!

Если вы следили за новостями, то теперь знаете, что USB-Interface — это самый распространенный интерфейс ПК в мире с множеством распространенных отраслевых приложений.

Давайте завершим нашу серию, рассказав о тестировании уровня защиты устройств от электростатического разряда и рекомендуемых схемах для одиночных и двойных портов USB.

Тестирование уровня защиты устройств защиты от электростатического разряда

Самый простой способ измерить уровень защиты — подать импульс электростатического разряда на вашу электронную схему с помощью устройства защиты от электростатического разряда и измерить пиковое напряжение этого импульса электростатического разряда до и после устройства защиты. Таким образом решаются разные задачи.

Из-за высокой частоты и широкого диапазона импульсов электростатического разряда (от нескольких МГц до нескольких ГГц) во время измерения будут возникать высокочастотные рефракции. Абсолютное пиковое напряжение и пиковые напряжения во время преломления являются индикатором лучшей или худшей защиты, но вы не можете указать окончательное фиксирующее напряжение. Кстати, это ненадежное и воспроизводимое измерение!

Инженеры, знакомые с полупроводниковой продукцией, знают метод измерения TLP (импульс линии передачи). Метод TLP представляет собой точную систему измерения, так как все измерения выполняются в 50-системе, что позволяет проводить повторяемые и очень точные измерения.

Как показано выше, определенный импульс тока (слева) подается на компонент защиты, и измеряется результирующее напряжение на нем (в центре). Эта процедура повторяется при увеличении токов ТЛП. В результате вы получите кривую TLP (справа).

Это измерение можно выполнить для контактов VDD и I/O. Чем ниже измеряемое напряжение, тем лучше защитное устройство и надежность вашей электронной схемы.

Благодаря встроенной технологии snapback диоды Wurth Electronics TVS имеют самое низкое напряжение фиксации электростатического разряда на рынке. По сравнению с продуктами конкурентов, WE-TVS явно их превосходит! Это вы можете увидеть, взглянув на кривые TLP.

Рекомендуемая схема для двойного USB-порта

В соответствии с защитой одного USB-порта маршрутизация очень похожа. Здесь используются точно такие же детали, как и для однопортовой защиты. Уровень защиты также останется прежним.

Для упрощения проектирования интерфейсов компания Wurth Electronics выпустила специальный набор для проектирования интерфейсов. Этот набор для проектирования включает в себя руководство по проектированию интерфейсов USB 1.0–USB 2.0, CAN, Ethernet, VGA, DVI, RS232 и RS485, а также всех используемых компонентов. Это подавители электростатических разрядов, синфазные дроссели SMD, ферриты с чип-бусинами, сетевые трансформаторы и соответствующие разъемы.

Всего 35 различных пассивных компонентов с 235 частями и 4 оценочными платами.

Цветовая схема упрощает поиск подходящих частей для вашего приложения. Просто следуйте определенному цвету приложения и расположите необходимые детали.

Для каждого приложения вы найдете простую блочную схему, на которой показано, как разместить различные компоненты для достижения наилучшего результата. Попробуйте!

Чтобы запросить ценовое предложение или заказать образцы продуктов для защиты USB-портов, нажмите здесь.

Я вижу, что большинство «правильных» примечаний к конструкции USB-разъема рекомендуют использовать фиксирующие диоды на линиях передачи данных для защиты от повреждения электростатическим разрядом. Мне просто интересно, насколько это необходимо на самом деле? Насколько вероятно повреждение от электростатического разряда? Я делаю бюджетный, краткосрочный продукт, и все эти мелочи действительно могут повлиять на стоимость. Если у меня нет фиксирующих диодов на линиях передачи данных USB, практически гарантировано, что каждое устройство станет жертвой электростатического разряда и в какой-то момент умрет, или это все равно произойдет только с 1 из 10000 устройств?

Если это то, что можно один раз подключить к розетке и оставить там «навсегда», возможно, стоит рискнуть. Если это что-то, что можно носить в кармане и часто включать и отключать от сети.

Вы можете протестировать один из них самостоятельно: зарядите себя и корпус небольшим статическим зарядом (например, потрите воздушный шар), а затем поднесите его разъем к водопроводной трубе.

Вполне вероятно возникновение электростатического разряда, пиковое напряжение которого может достигать 30 кВ. Поджаривание ваших устройств при напряжении 30 000 В, вероятно, приведет к большей разнице в затратах, чем внедрение защиты от электростатического разряда.

Единственный способ действительно узнать, сколько сбоев электростатического разряда будет в вашей конкретной конструкции, — это отправить значительную группу устройств и протестировать их в полевых условиях в течение длительного периода (год+).

Или дайте маленькому ребенку на 10 минут.

ESD происходит постоянно. Помните, что вам не нужно видеть «шок» в качестве индикатора электростатического разряда.Это только в том случае, если заряда достаточно для ионизации воздуха, обычно в этот момент 1000 вольт. Просто сделав несколько шагов по ковру, вы получите 100 V. Заряд по-прежнему очень низкий. Скорее всего, на данном этапе это не будет катастрофическим сбоем (если только ваша схема не особенно чувствительна к электростатическому разряду), а со временем ухудшится. Вы можете получить одно устройство за 1 доллар или меньше на Digikey, которое включает в себя всю необходимую защиту. Еще дешевле, если вам не нужен USB3. Для некоторых нормативных сертификатов может потребоваться защита от электростатического разряда при продаже в США или экспорте в Европу.

7-портовый промышленный концентратор USB 3.0 с защитой от статического электричества

Изображения могут отличаться от реальных продуктов

7-портовый промышленный концентратор USB 3.0 с защитой от статического разряда

Обзор

Технические характеристики

Отзыв клиента

Выберите безопасный и эффективный центр

Мощный защищенный центр

Этот 7-портовый промышленный концентратор, соответствующий спецификациям SuperSpeed USB 3.0, поддерживает пропускную способность 5 Гбит/с. Он также обратно совместим со спецификациями USB 2.0 и 1.x, поэтому одновременно поддерживает более старые устройства USB или старые системы без возможностей USB 3.0.

Этот концентратор промышленного класса, рассчитанный на длительную работу, имеет прочный металлический корпус. Широкий диапазон входного постоянного тока его клеммной колодки (от 7 В до 48 В) позволяет вам питать концентратор в соответствии с вашими возможностями. Он также предлагает защиту от электростатического разряда для каждого USB-порта, поэтому вы можете защитить свои инвестиции, ограничивая повреждение подключенных устройств.

Основные особенности:

7-портовый концентратор USB 3.0
Защита от статического электричества
Встроенная 2-проводная клеммная колодка с поддержкой переменного входного напряжения от 7 до 48 В постоянного тока (стандартные адаптеры питания не поддерживаются и не входят в комплект)
Промышленный класс: цельнометаллический корпус
Встроенные кронштейны для поверхностного монтажа и дополнительный зажим для DIN-рейки.
Спецификация USB Revision 3.0 для скорости передачи данных до 5 Гбит/с.
Поддерживает спецификацию зарядки аккумулятора USB 1.2.
Обратная совместимость с устройствами USB 2.0 и 1.x.
Совместимость с Windows, macOS, Linux.
Размеры: 45 x 54 x 145 мм.
Вес: 325 г.

Выберите критерии

Читайте также: