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Jun 12, 2023

Integridad de la señal de TDK TVS para USB4® y Thunderbolt® 4

Los dispositivos periféricos que utilizan USB son muy utilizados y sus conectores pueden ser

Los dispositivos periféricos que utilizan USB son ampliamente utilizados y sus conectores pueden estar expuestos al fenómeno ambiental de descarga electrostática (ESD). Esto puede provocar daños en los circuitos electrónicos sensibles dentro de los dispositivos portátiles. El enfoque estándar para este problema es agregar componentes de protección en el interior, que suprimen niveles de voltaje más altos y potencialmente dañinos por debajo de los niveles de umbral de los circuitos integrados al redirigir las sobrecorrientes lejos de los circuitos integrados sensibles y absorber la energía entregada. Estos dispositivos de protección deben ser invisibles para los circuitos durante el funcionamiento normal y no deben afectar la señal de comunicación en las líneas que se protegen. A diferencia de USB 2.0 y las generaciones posteriores hasta USB 3.2, que han estado en el mercado durante mucho tiempo y se han desarrollado por separado de otros protocolos, USB4® y Thunderbolt 3 siguen la misma "Especificación de prueba de conformidad eléctrica USB4". Desde el punto de vista de la frecuencia de la señal, las señales Thunderbolt 3 y Thunderbolt 4 son iguales. La solución de protección ESD, por lo tanto, también es la misma. En la práctica, esto significa que las soluciones de protección ESD diseñadas para uno de estos protocolos pueden usarse para el otro ya que la frecuencia utilizada en la línea de comunicación es la misma.

El USB4 Implementers Forum (USB-IF) ha trabajado en el protocolo más reciente con el objetivo de ofrecer funciones de visualización, datos y carga/almacenamiento a través de un solo conector USB4 Type-C®, al mismo tiempo que conserva la compatibilidad con el ecosistema USB existente, incluido el compatibilidad con productos Thunderbolt® a través del conector USB4 Type-C, que también admite sistemas Thunderbolt 4 (TBT4) en modo Alt [ref: www.usb.org]. Este conector ha tenido una gran aceptación debido al práctico hecho de que es enchufable invertible, lo que se ha logrado haciendo pines de espejo en ambos lados del conector. Esos pines deben conectarse con una protección ESD adecuada, ya que pueden exponerse fácilmente a un evento de ESD en el uso diario.

La siguiente figura muestra la disposición de los 24 pines utilizados en el conector USB-C. La mejor práctica es colocar la protección ESD lo más cerca posible de la fuente del evento transitorio, es decir, del conector. Esto significa que se necesitan dispositivos supresores de sobretensiones miniaturizados que no ocupen mucho espacio y, sin embargo, ofrezcan suficiente protección. De los 24 pines del conector que se muestran a continuación, cuatro se utilizan para la conexión a tierra y no requieren protección. Interfaz de receptáculo [ref: www.usb.org]

Debido al diseño reversible de la punta del conector USB tipo C y la redundancia de los pines D+ y D- en los lados, se conectan 18 pines. Los pines D-/D+ son los que se utilizan para conectar el par diferencial + y – del USB 2.0. Por lo tanto, es suficiente si el lado del receptáculo admite ambos pines del par diferencial USB 2.0 (colocados arriba y abajo), mientras que la orientación del enchufe determina qué par estará activo.

GND: marcado como retorno a tierra, son todos los pines de retorno a tierra conectados en la PCB. Los pines Tx y Rx se utilizan para datos de alta velocidad, y la protección de dichos pines debe elegirse cuidadosamente, teniendo en cuenta la integridad de la señal en esas líneas.

VBUS: el pin Bus Power, que admite voltajes y corrientes más altos, permite una carga rápida a través de esos pines. La tensión nominal en los pines del bus es de hasta 20 V y las corrientes de hasta 5 A, para una potencia máxima de 100 W.

Además de las ventajas del puerto USB tipo C mencionado anteriormente, un protocolo USB PD (Power Delivery) permite una carga rápida de dispositivos finales y más flexibilidad para el usuario final. El voltaje especificado para el USB PD es de hasta 48 V y está disponible para usarse en combinación con un cable de rango de potencia extendido (EPR) [ref: "Especificación del conector del cable USB tipo C", octubre de 2022] como se muestra a continuación:

Notas 1: Mientras que la especificación USB BC 1.2 permite diseñar un proveedor de energía para admitir un nivel de energía entre 0,5 A y 1,5 A, la especificación USB Type-C requiere que un puerto de origen que admita USB BC 1.2 sea, como mínimo, capaz de suministrando 1,5 A y publicitando corriente USB tipo C a 1,5 A, además de admitir la terminación del proveedor de energía USB BC 1.2.

CC: los pines del canal de configuración y SBU: los pines de uso de banda lateral se utilizan para detectar la configuración de la conexión y para el uso adicional del conector tipo C para otros protocolos admitidos en el modo alternativo (Alt), como el protocolo HDMI, por ejemplo. [ref: USB.org]. Junto con los pines VBUS y diferencial (D+ y D- como se muestra arriba), esos pines son los llamados pines de línea de señal de baja velocidad, mientras que los pines Tx/Rx están conectados a líneas de comunicación de alta velocidad. Este conector USB4 tipo C también es el conector elegido para convertirse en el conector de dispositivos periféricos "uno para todos" para cargadores en la Unión Europea. Con la nueva Directiva de equipos de radio, el Parlamento Europeo impone la armonización con los puertos de carga y la tecnología de carga rápida. Tras su adaptación por el Parlamento Europeo y el Consejo tras el procedimiento legislativo ordinario (codecisión), existe un período de transición de 24 meses antes de convertirse en el cargador normalizado para los países de la UE. [ref: https://ec.europa.eu/commission/presscorner/detail/en/IP_21_4613]. Se encuentran más estandarizaciones sobre USB y carga en IEC 62680-1-2, Ed.5: 2021 "Interfaz de bus serie universal para datos y alimentación, Parte 1-2: Componentes comunes: especificación de suministro de energía USB" e IEC 63002, Ed. 2: 2021 "Especificaciones de interoperabilidad y método de comunicación para fuentes de alimentación externas utilizadas con dispositivos informáticos y electrónicos de consumo" TDK presentó recientemente los diodos supresores de voltaje transitorio TVS que están diseñados para cumplir con los requisitos de aplicación anteriores. La protección de los pines Tx/Rx de alta velocidad requiere específicamente dispositivos ESD cuidadosamente elegidos, ya que este supresor debe proporcionar una protección sólida contra sobretensiones para los transitorios ESD, pero también, durante el funcionamiento normal, no debe afectar la señal en esas líneas. Las tasas de datos utilizadas para esta señal van hasta 20 Gb/s para USB4 20 Gbps y hasta 40 Gb/s para USB4 40 Gbps, a través de dos pares. Esto significa una velocidad de datos de hasta 10 Gb/s para una línea y una velocidad de datos de hasta 20 Gb/s, respectivamente. La frecuencia correspondiente para estas tasas de datos se calcula aproximadamente dividiendo a la mitad la tasa de datos. Por lo tanto, esta frecuencia de Nyquist sería de 10 GHz para la velocidad de datos de 40 Gbps utilizada con USB4, o de 5 GHz para la velocidad de datos más lenta de 20 Gbps, como se muestra en la siguiente tabla.

Un componente ESD conectado en paralelo a una línea de datos inevitablemente conlleva alguna pérdida de inserción, es decir, degradación de la calidad de la señal. El grado en que el componente afecta la señal se puede verificar usando diagramas de ojo para las señales correspondientes. La mejor práctica para garantizar que el componente no degrade las señales es tomar medidas y evaluar. Se debe realizar una prueba comparando los diagramas de ojo de las pruebas de señal registradas con un accesorio con y sin el componente, utilizando el circuito estandarizado. Se deben preparar dos placas idénticas, diseñadas para trabajar con señales HF. Como se muestra en la figura a continuación, uno se completa con el componente ESD y el otro sin el componente.

A continuación, deben compararse las mediciones con la misma señal de prueba. Los diodos TDK ULC TVS se prueban con señales USB 3.2, y las mediciones las realiza el laboratorio externo acreditado por USB, el laboratorio de pruebas digitales Eurofins, que está certificado para pruebas de señal USB 3.2 y diagramas de ojo, con la máscara de señal respectiva que se proporciona a continuación:

"Con dispositivo" para TVS0016-WE

"Sin dispositivo" para TVS0015-VE

Informe completo de prueba de cumplimiento de USB 3.2 Gen.2 certificado disponible a pedido.

Las pruebas se realizan en función del peor de los casos, que es la prueba de canal largo. La prueba se realiza con un receptáculo estándar B, una longitud de cable de 3 m y trazas de PCB adicionales según la especificación. También se realiza una prueba basada en la selección del peor canal para el host y los dispositivos con productos Micro-B y Tipo-C. Ambos diodos TDK TVS de la familia ULC se han probado y evaluado como se indica arriba y han superado todas las pruebas. Si un componente de protección pasa la prueba con las señales USB 3.2, esto implica que esos componentes serán una buena opción para proteger líneas con señales de alta velocidad de datos, con mucho margen para otros componentes necesarios en la línea, pero también para velocidades de datos más bajas. . Los diodos TDK ULC TVS también se prueban con señales USB4. Se ha tomado el mismo enfoque en esas pruebas, y los diagramas de ojo se muestran a continuación.

Ojo recuperado - Retraso de 3.133[pS]

Ojo recuperado - Retraso de 3.133[pS]

Ojo recuperado - Retraso de -0.392[pS]

Ojo recuperado - Retraso de -1.762[pS]

Donde los puntos TP2 y TP3 son los especificados en las especificaciones USB, de la siguiente manera

Hay un conector USB-C incorporado (simulado con parámetros S) y un cable pasivo (la longitud supuesta del cable es de 2 m para 10 Gbps y de 0,8 m para tasas de 20 Gbps) entre los puntos TP2 y TP3 en la figura anterior [ref: www.usb.org]. Las señales de prueba utilizadas para las pruebas anteriores y las mediciones del diagrama de ojo son señales nominales. Al comparar esas dos medidas de las placas con y sin componentes, solo se pueden observar diferencias mínimas, por ejemplo, los valores de fluctuación aumentaron ligeramente. Los resultados de la prueba muestran que los componentes ESD de TDK TVS tienen una aprobación clara con todas las señales probadas. TDK ofrece robustos diodos de protección ESD TVS compatibles con señales USB 3.2 10 G y USB4 20 G y 40 G. Los informes de prueba para las señales USB 3.2 y USB4 para las piezas a las que se hace referencia están disponibles a pedido. Los diodos de protección ESD de TDK TVS compatibles con señales USB 3.2 y USB4 40 G están disponibles en dos tamaños con volúmenes pequeños para aplicaciones con limitaciones de espacio. El SD0201SL-ULC101 de tamaño 0201 de EIA (Electronic Industries Alliance), la definición en el empaque "wafer-level chip scale" (WL-CSP) Supresores de voltaje transitorio - TVS (SD0201SL-ULC101) y el SD01005SL-ULC101 de tamaño 01005 acc. EIA en paquete WL-CSP Supresores de voltaje transitorio – TVS (SD01005SL-ULC101) . Ambos diodos ocupan muy poco espacio en la placa de circuito impreso, como lo indica el diseño del pad, y además su volumen también es mínimo, debido a su paquete delgado, con una altura reducida a 100 µm. Esto es ideal para aplicaciones donde no hay mucho espacio disponible. La protección ESD generalmente se realiza colocando el componente en paralelo al circuito protegido, y puede colocarse en cualquier lugar de la línea para proteger el IC. El enfoque recomendado es conectarlos lo más cerca posible de la fuente de perturbación colocando el supresor cerca del conector. De esta forma se minimizan las inductividades parásitas que se puedan generar. Todos los componentes montados detrás de los componentes ESD, vistos desde la fuente de posibles transitorios, también están protegidos. Además de esto, al usar un paquete sin cables, también se excluyen las inductancias parásitas de los pines. Por lo tanto, el dispositivo de protección SMD ESD es muy favorable para las aplicaciones descritas. Los diodos funcionan rápidamente y las ventajas del paquete pequeño SMD WL-CSP para dispositivos ESD son evidentes. Mirando la ruta de la señal, hay muchas fuentes posibles de pérdida de inserción, que pueden introducir la degradación de la señal. Esto incluye estranguladores, CMC, capacitores, cables, enchufes y conectores, etc. Cada parte de la línea de señal afectará la señal de alguna manera. El componente ESD es una parte importante de esta funcionalidad, ya que es esencial para mantener el IC a salvo de transitorios de sobretensión. Mirando las figuras que muestran diagramas de ojos para el peor de los casos, se puede observar el margen (marcado con corchetes violetas a continuación). Este margen es lo que un desarrollador tiene a su disposición para los componentes que introducirán pérdida de inserción adicional a lo largo de la línea, además de la pérdida ya introducida por el componente ESD.B74111U0033M060_TVS01005SL hoja de datos

Dado que tanto el USB4 como el Thunderbolt 4 siguen la misma "especificación de prueba de conformidad eléctrica USB4", los resultados de la prueba también se aplican a las líneas que transmiten la señal Thunderbolt.

La protección completa de la solución para los pines explicados anteriormente del conector USB Tipo-C es la siguiente.

Pines del conector USB tipo C

Las hojas de datos correspondientes se pueden obtener siguiendo este enlace Supresores de voltaje transitorio TVS: diodos TVS de alto rendimiento para aplicaciones TIC, de consumo y de alta velocidad. En conclusión, los diodos TDK TVS ofrecen protección USB ESD de última generación, diseñada para proporcionar una excelente protección para circuitos integrados sensibles y la protección personalizada de los pines del puerto USB tipo C y también para otras aplicaciones. Los diodos TDK TVS ocupan un espacio mínimo debido a su tamaño y altura en miniatura, y mantienen un nivel de voltaje de sujeción bajo cuando protegen, sin perturbar la señal de altas velocidades de datos de, por ejemplo, protocolos USB y otros protocolos de alta velocidad de datos, según se probó.

Para obtener más información sobre la especificación USB 4.0, visite www.usb.org. USB4®, USB Type-C® y USB-C® son marcas registradas de USB Implementers Forum (USB-IF). Thunderbolt® es una marca registrada de Apple Inc..