Conseils de conception pour protéger les interfaces haut débit

Dans ce deuxième volet de la série « Protégez vos ports ! Les meilleurs conseils de conception pour garder vos communications connectées », nous explorons à quoi ressemble la protection des interfaces haut débit comme, y compris USB, HDMI, DisplayPort et eSATA.

De nombreux circuits et protocoles de communication existent pour servir un large éventail d'applications. Étant donné que ces circuits transmettent et reçoivent des données entre des appareils séparés, les ports des interfaces sont soumis à des menaces externes pour leurs circuits. Ces menaces incluent les surcharges de courant et les transitoires de tension dus à la foudre, les transitoires électriques rapides (EFT) et les décharges électrostatiques (ESD).

Ces circuits nécessitent une protection contre les dommages causés par ces menaces externes, mais le protocole de transmission de l'interface ne peut pas être compromis. Une fois les schémas de protection mis en œuvre, les circuits de communication doivent transmettre de manière fiable des données non corrompues; et, le récepteur doit détecter et décoder avec précision les informations afin que les données d'origine soient complètement récupérées.

Cet article est le deuxième d'une série sur la protection des interfaces de communication. Le premier présentait des solutions pour protéger les ports des interfaces power-over-Ethernet. Cet article présente aux ingénieurs de conception électronique des recommandations pour protéger les interfaces haute vitesse sans compromettre les performances de transmission/réception ou interférer avec les contraintes de taille du produit.

Quatre protocoles de communication sont considérés :

• les normes Universal Serial Bus (USB) qui continuent d'évoluer avec des formats plus rapides,
• l'interface multimédia haute définition (HDMI),
• l'interface DisplayPort,
• et l'External Serial Advanced Technology Attachment (eSATA).

Le but de ces normes et leurs bandes passantes maximales actuelles sont décrits dans le tableau 1.

Tableau 1. Protocoles de communication, fonction et débit de données maximal

Interfaces USB

Le port USB est omniprésent sur les ordinateurs personnels, les périphériques informatiques, les instruments électroniques de test et de mesure et de nombreux autres produits. L'interface USB permet une connexion facile et rapide entre les ordinateurs, les appareils intelligents et les périphériques. Il a été normalisé pour la première fois en 1996 et a évolué avec des vitesses plus élevées et permet une plus grande capacité de charge pour charger les appareils fonctionnant sur batterie.

L'USB-Implementers Forum (USB-IF) a mis à niveau la norme à travers quatre révisions majeures. La norme USB filaire a commencé avec la version 1.0 et a progressé jusqu'à la version 2.0, les versions 3.x, et est actuellement jusqu'à la révision 4, USB4.

Le tableau 2 répertorie les versions de 2.0 à USB4 et montre comment le débit maximal de chaque version a considérablement augmenté.

Tableau 2. Les versions actuellement actives de l'interface USB et leurs taux de transfert de données maximum

Les différents débits de données permettent à un port USB de s'interfacer avec des appareils allant des claviers lents aux appareils vidéo à haute vitesse. Les concepteurs peuvent profiter d'une interface généralisée dans laquelle les lignes de signaux ne sont pas dédiées à une fonction spécifique d'un type d'appareil. En outre, les concepteurs peuvent configurer des interfaces USB pour avoir une faible latence pour les fonctions à temps critique ou pour permettre d'importants transferts de données fonctionnant en arrière-plan.

De plus, la norme définit les révisions de l'alimentation électrique (PD) pour les versions USB 1 à 3. Les révisions PD permettent aux appareils d'être chargés et alimentés via l'interface USB. La capacité d'alimentation est passée de 2,5 W (5 V à 0,5 A) à 100 W (20 V à 5 A).

Les connecteurs USB ont également évolué pour permettre des débits de données plus élevés et une plus grande disponibilité de l'alimentation. La figure 1 montre les configurations de broches et la taille relative des connecteurs pour les différents connecteurs utilisés pour chaque version USB. Le tableau 3 montre le débit de données maximal que chaque connecteur peut atteindre.

Figure 1. Connecteurs USB conçus pour les différentes normes USB

Tableau 3. Débits de données maximum pour les types de connecteurs USB

Protéger une interface USB 2.0

L'interface USB 2.0 se compose d'une ligne d'alimentation VBUS et de deux lignes de données, comme illustré à la Figure 2a.

Figure 2. Composants de protection recommandés pour les interfaces USB 2.0 et USB 3.2

La ligne VBUS, qui peut être alimentée par la ligne électrique CA, est soumise à des surcharges de courant et des transitoires de tension se propageant sur la ligne électrique CA. Un fusible réarmable doit être installé sur la ligne VBUS pour protéger contre les surcharges de sorte que lorsque la surcharge est résolue, le fusible réarmable se réinitialise et le circuit peut continuer à fonctionner.

Un fusible à coefficient de température positif en polymère (PPTC) est un fusible réarmable dont la résistance augmente considérablement en raison de la chaleur générée par un courant de surcharge. La structure interne du fusible PPTC change lors d'une surcharge pour provoquer une augmentation de la résistance. Lorsque l'appareil refroidit, la structure à faible résistance est restaurée. Ces fusibles sont conçus pour les circuits basse tension où la tension nominale maximale est généralement de 24 V.

Les autres caractéristiques des fusibles PPTC sont :

• Résistance ultra-faible, allant de mΩ à environ 2 Ω, lorsque le courant est inférieur au seuil de déclenchement du fusible
• Large gamme de courants nominaux de 100 mA à 9 A
• Déplacement rapide
• Emballage à montage en surface peu encombrant dans les tailles 0402 à 2920
• Reconnaissance des composants UL et approbation TUV.

Pour protéger le circuit alimenté par la ligne VBUS contre les transitoires induits par la ligne électrique et les décharges électrostatiques (ESD), utilisez un réseau de diodes unidirectionnel de suppression de tension transitoire (TVS). Les versions de ce type de barrette de diodes fournissent :

• Capacité d'absorber en toute sécurité jusqu'à 40 A d'un transitoire électriquement rapide et 5 A d'un coup de foudre
• Capacité à résister à un choc ESD de ±30 kV soit par voie aérienne, soit par contact direct
• Courant de fuite faible maximum de 0,5 µA dans les circuits 5 V
• Un package de montage en surface 0201 à faible encombrement

Assurez-vous de protéger les lignes de données contre les transitoires de tension qui peuvent corrompre la transmission des données. Considérez un réseau de diodes TVS à 4 canaux pour la protection de la ligne de données.

Les matrices de diodes telles que celle illustrée à la figure 3 ont les capacités suivantes :

• Absorption sûre d'une gâche ESD de +22 kV par voie aérienne ou par contact direct et d'une gâche ESD de – 10 kV par voie aérienne ou par contact direct
• Impact minimal sur les lignes de données avec une capacité de 0,3 pF par broche à la terre.
• Faible courant de fuite de 10 nA pour une charge minimale sur le circuit.

Ainsi, seuls trois composants sont nécessaires pour protéger complètement un port USB 2.0.

Figure 3. Réseau de diodes TVS à 4 canaux avec une diode Zener pour la protection contre les tensions transitoires

Protéger une interface USB 3.2

Comme le montre la figure 2b ci-dessus, l'interface USB 3.2 comprend une ligne VBUS et six lignes de données et de contrôle. Utilisez les mêmes composants recommandés pour protéger la ligne VBUS que ceux décrits pour l'interface USB 2.0 contre les événements de surintensité et de surtension. Pour protéger les six lignes de données des transitoires de tension, envisagez une matrice de diodes TVS discrète sur chaque port.

Les matrices de diodes TVS individuelles peuvent avoir ces capacités :

• Absorption sûre jusqu'à 40 A de courant de crête à partir d'un transitoire électriquement rapide
• Protection ESD jusqu'à ±18 kV dans l'air et ±12 kV par contact direct
• Faible courant de fuite avec une valeur maximale de 20 nA
• Faible capacité de 0,09 pF pin-pin qui ne compromet pas l'intégrité du signal

L'utilisation de diodes TVS individuelles offre une meilleure protection du port USB plus rapide avec des composants à faible capacité pour un impact minimal sur la capacité de transmission de données.

Protéger les interfaces USB 3.2 et USB 4.0 haut débit avec les révisions de Power Delivery

Les versions USB 3.2 Gen 2x1 et supérieures nécessitent l'utilisation du connecteur de type C. Comme le montre la figure 1, le connecteur de type C est un connecteur haute densité. Par conséquent, le connecteur de type C peut être sensible aux courts-circuits résistifs entre les contacts en raison de la poussière et de la saleté pouvant pénétrer dans le connecteur.

Avec jusqu'à 100 W sur les broches d'alimentation, le potentiel d'endommagement du connecteur et des circuits associés est toujours présent. Protégez le connecteur USB Type-C de la chaleur associée au défaut résistif à l'aide d'un indicateur de température numérique sur la ligne Configuration Channel (CC) comme illustré à la Figure 4.

Figure 4. Composants de protection recommandés pour les interfaces USB 3.2 et USB 4.0 Type-C

Avec l'indicateur de température numérique sur la ligne CC, il peut fournir une protection précise dans toutes les conditions d'alimentation, du niveau le plus bas tel que 5 W jusqu'à la capacité maximale de l'USB-C, 100 W. Reportez-vous à la norme USB Type-C pour plus de détails sur la mise en œuvre de cette fonction de protection thermique.

Pour une protection contre les transitoires, envisagez d'utiliser différentes versions de matrices de diodes TVS. Sélectionnez un réseau de diodes TVS pour les lignes SuperSpeed ​​ayant la capacité la plus faible. Maintenez une faible consommation d'énergie en sélectionnant des matrices de diodes TVS avec un faible courant de fuite, en particulier pour les lignes VBUS.

Si votre produit est destiné à être utilisé dans l'industrie automobile, sélectionnez des matrices de diodes TVS qui sont des composants qualifiés AEC-Q101 (Automotive Electronics Council Failure Based Stress Test Qualification for Discrete Semiconductors).

Protection des interfaces HDMI, DisplayPort et eSATA

Un schéma de protection similaire est recommandé pour l'interface multimédia haute définition (HDMI), DisplayPort et les ports d'interface eSATA, ces trois interfaces sont donc considérées ensemble. HDMI combine la vidéo haute définition et l'audio numérique d'un contrôleur d'affichage vers un périphérique d'affichage vidéo ou un périphérique audio. HDMI est connu comme la norme de télévision haute définition de facto. L'interface HDMI est intégrée aux produits depuis 2004. Elle est maintenant à la version 2.1 et peut transmettre des données à un débit maximum de 48 Gbit/s.

L'interface DisplayPort est conçue pour transmettre des données vidéo d'une source vidéo à un périphérique d'affichage tel qu'un moniteur de PC. Cette interface, capable de transmettre simultanément l'audio et la vidéo, remplace le standard VGA. DisplayPort a été introduit pour la première fois en 2006. La version 2.0, avec un débit de données cible de 77 Gbit/s, devrait être achevée plus tard cette année. Cette interface est compatible avec l'interface HDMI. La Video Electronics Standards Association maintient la norme DisplayPort.

L'interface Serial Advanced Technology Attachment (SATA), développée à l'origine dans un format parallèle par IBM pour IBM AT PC, définit une interface, qui est désormais l'interface standard de l'industrie pour les lecteurs de disque. La norme SATA externe (eSATA) a évolué en 2004 pour créer une connexion robuste pour la connectivité des disques durs externes.

La protection de ces trois interfaces, illustrées à la figure 5, contre les transitoires dommageables peut nécessiter un seul type de composant, un réseau de diodes TVS à quatre lignes.

Figure 5. Protection recommandée pour les interfaces HDMI, DisplayPort et eSATA

La figure 6 montre la configuration du réseau de diodes TVS à 4 lignes.

Figure 6. Réseau de diodes TVS pour supprimer les transitoires de tension sur quatre lignes de données à grande vitesse

Les matrices de diodes TVS telles qu'une matrice de 4 lignes offrent :

• Capacité ultra-faible de 0,2 pF qui a un impact insignifiant sur le diagramme de transmission de l'œil
• Courant de fuite de 25 nA pour une consommation électrique minimale
• Protection ESD jusqu'à ±20 kV par voie aérienne ou par transmission par contact direct
• Emballage SOD 883 pour économiser de l'espace sur la carte de circuit imprimé et réduire la complexité de la disposition des traces.

La protection de vos ports améliore la robustesse et la fiabilité du produit

La protection des interfaces de transmission implique la sélection de composants qui assurent la protection du circuit sans compromettre les signaux transmis. Heureusement, peu de composants sont nécessaires. Cependant, il y a un large éventail de composants à considérer.

Bénéficiez de l'expertise d'un fabricant lors de la conception et de la sélection des composants de protection pour gagner un temps de développement précieux. Le fabricant peut vous aider en vous conseillant sur des solutions rentables. La protection de votre conception contre les surcharges de courant et les transitoires de tension se traduira par une conception robuste et fiable qui améliorera la réputation de votre produit sur le marché et réduira les coûts de service sous garantie.

Références supplémentaires

Pour en savoir plus, téléchargez les guides suivants, avec l'aimable autorisation de Littelfuse, Inc.

• Guide de sélection des produits de protection des circuits
• Guide de conception et d'installation de Littelfuse setP™
• Guide de conception de protection ESD

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