Sygnały przesyłane przez USB na linii danych znajdują się się w przeciwnych stanach. Oznacza to że dobrym pomysłem było by poprowadzenie ich na płytce jako pary różnicowej. Najlepiej byłoby je poprowadzić bardzo blisko siebie tak aby ich długości były w miarę jednakowe. Poprzez kontrolę impedancji tych ścieżek zredukuje się także możliwość odbić sygnałów czy występowania innych zakłóceń podczas transmisji danych. Jeśli stosowane będzie zabezpieczenie ESD to najlepszym rozwiązaniem jest umieszczenie tego komponentu jak najbliżej ścieżki a najlepiej bezpośrednio na niej. Dodatkowo dla linii danych należy pamiętać o w miarę krótkim prowadzeniu sygnałów bez ostrych kątów. Dobrym rozwiązaniem jest także otoczenie ich polem masy.
Podstawowy obwód:
Jedną z bardziej istotnych elementów jest filtrowanie zasilania jakie jest podawane przez USB. Należy o tym pamiętać ponieważ sygnał ten jest dosyć mocno deformowany podczas przesyłania.
Filtrowanie odbywa się poprzez umieszczenie kondensatorów oraz koralika ferrytowego blisko złącza USB. Tyczy się to zwłaszcza kondensatora 10nF oraz koralika ferrytowego. Ferryt może zostać umieszczony tylko na linii zasilającej, nie można go stosować na liniach danych.
Co się tyczy linii danych to można na niej wprowadzać rezystory oraz kondensatory. Wartości przez nie wprowadzone będą odpowiadać za takie elementy jak czasy opadania czy narastania. To samo tyczy się przez zastosowanie dodatkowych elementów zabezpieczających na linii. W związku z tym przeważnie jeśli zostanie wybrane zabezpieczenie ESD to nie ma potrzebny stosowania rezystorów czy kondensatorów w celu zmiany parametrów linii. Ważne jest zastosowanie dosyć dokładnych rezystorów. Najlepiej stosować takie z 1% błędem.
Poniżej rysunek przedstawiający przykładowe rozmieszczenie elementów na linii danych:
Kolejnym elementem jest tzw. schield. On powinien być podłączony z masą, ale nie bezpośrednio tylko przez kondensator.
Poniżej rysunek przedstawiający przykładowe rozmieszczenie elementów na linii danych:
Kolejnym elementem jest tzw. schield. On powinien być podłączony z masą, ale nie bezpośrednio tylko przez kondensator.
Zabezpieczenie ESD:
Zabezpieczenie przed ESD stosuje się głównie na złączach, ponieważ ich pola kontaktowe są wypuszczone poza obudowę urządzenia, przez co po ich liniach w momencie wystąpienia wyładowania może dojść do uszkodzenia układu. Oczywiście na same wyładowania narażone są także wyprowadzenia bardziej czulszych układów, natomiast nie stanowi to zbytniego zagrożenia dla urządzenia, które znajduje się w obudowanie.
W przypadku gołych płytek należy zwracać uwagę aby nie dotykać wyprowadzeń tych układów oraz posiadać odpowiednie zabezpieczenia ESD. Jeśli chodzi o same komponenty to należy także unikać dotykania jego wyprowadzeń.
Do zabezpieczenia stosuje się dedykowane układy scalone które są zbudowane z diod TVS, które pozwalają na tłumienie napięć nieustalonych, które pozwalają na bardzo szybkie wytracenie wygenerowanej mocy, oraz diody Zenera.
Wśród uszkodzeń jakie mogą być wywołane poprzez ESD wyróżnia się przebicie złącza, stopienie ścieżek, przenikanie cząsteczek metalu czy uszkodzenie warstwy tlenkowej. Niektóre z tych uszkodzeń nie musi objawić się w pierwszej chwili. Układ może przestać działać dopiero po jakimś czasie. To natomiast będzie skutkowało zwiększoną ilością sprzętu wracającego na serwis.
Do zabezpieczenia stosuje się dedykowane układy scalone które są zbudowane z diod TVS, które pozwalają na tłumienie napięć nieustalonych, które pozwalają na bardzo szybkie wytracenie wygenerowanej mocy, oraz diody Zenera.
Wśród uszkodzeń jakie mogą być wywołane poprzez ESD wyróżnia się przebicie złącza, stopienie ścieżek, przenikanie cząsteczek metalu czy uszkodzenie warstwy tlenkowej. Niektóre z tych uszkodzeń nie musi objawić się w pierwszej chwili. Układ może przestać działać dopiero po jakimś czasie. To natomiast będzie skutkowało zwiększoną ilością sprzętu wracającego na serwis.
Teraz wracam do tematu ESD dla USB.
Jak już wspomniałem wcześniej zabezpieczenia od ESD muszą być umieszczone bardzo blisko złącza USB. Pozwoli to na szybkie odprowadzenie wyładowania oraz ochroni przed możliwością uszkodzenia elementów znajdujących się dalej w układzie.
Jak już wspomniałem wcześniej zabezpieczenia od ESD muszą być umieszczone bardzo blisko złącza USB. Pozwoli to na szybkie odprowadzenie wyładowania oraz ochroni przed możliwością uszkodzenia elementów znajdujących się dalej w układzie.
Na rynku znajduje się szereg dedykowanych układów, dzięki którym możliwe jest wykonanie zabezpieczenia ESD dla złącz USB 2.0 bądź 3.0.
Takie układy np. firmy ST to:
- USBLC62SC6 który pozwala na zabezpieczenie dwóch linii danych.
- EMIF02-USB03F2 który jest filtrem zakłóceń elektromagnetycznych oraz dodatkowo pełni funkcję zabezpieczenia przed ESD. Jego sposoby podłączenia można zaobserwować np. na płytkach Discovery. Poniżej schemat z F407.
Inny firmy ON Semiconductor to np. STF202-22T1G
Można także wykorzystać zabezpieczenia wypuszczone przez firmę Littelfuse. Szczegóły ich oferty dotyczących zabezpieczeń ESD można znaleźć pod tym linkiem.
Poniżej kilka rozwiązań od tego producenta. Dużo od rodzaju zabezpieczeń zależy od tego jakiego typu złącze będzie chronione(USB1.1, USB2.0, USB3.0).
USB 1.1.
W pierwszym przypadku stosowane są diody chroniące linie danych, zamontowane w pojedynczym układzie pozwalającym na obsługę dwóch kanałów oraz zabezpieczono linie zasilania poprzez układ dla pojedynczej linii. Jest ono opcjonalne i może zostać pominięte, jednak dla pewności, oraz jeśli urządzenie będzie badane na generowanie zakłóceń to warto jednak przemyśleć jego zastosowanie. Jak już wspomniałem wcześniej oba należy montować bardzo blisko, tak aby ścieżki odchodzące od linii danych były maksymalnie krótkie. Należy unikać dużych rozgałęzień od tej linii.
USB 2.0.
Tutaj są dwa różne układy w porównaniu z poprzednimi mają znacznie mniejszą pojemność oraz w większości mniejszą wartość zabezpieczenia ESD. W pierwszym rozwiązaniu stosowany jest układ dwukanałowy. W drugim stosowane są osobne układy dla każdej z linii.
USB 3.0
Dla USB 3.0 należy zabezpieczyć większość ilość linii danych. W tym przypadku należy brać pod uwagę duże prędkości danych przez linie.
Powyżej kolejne dwa rozwiązania, tym razem dla USB 3.0. Górne zawiera trzy osobne układy, każdy z nich zabezpiecza różne linie danych. Poniżej wszystkie linie zabezpieczające zostały zintegrowane w jednym układzie. Podobnie jak wcześniej osobne zabezpieczenie dla zasilania może zostać pominięte. Układ sześcio-kanałowy posiada bardzo niską wartość pojemności, ale ma niską wartość ochrony ESD wynoszącą 12kV.
Poniżej kilka rozwiązań od tego producenta. Dużo od rodzaju zabezpieczeń zależy od tego jakiego typu złącze będzie chronione(USB1.1, USB2.0, USB3.0).
USB 1.1.
USB 2.0.
Tutaj są dwa różne układy w porównaniu z poprzednimi mają znacznie mniejszą pojemność oraz w większości mniejszą wartość zabezpieczenia ESD. W pierwszym rozwiązaniu stosowany jest układ dwukanałowy. W drugim stosowane są osobne układy dla każdej z linii.
USB 3.0
Dla USB 3.0 należy zabezpieczyć większość ilość linii danych. W tym przypadku należy brać pod uwagę duże prędkości danych przez linie.
Powyżej kolejne dwa rozwiązania, tym razem dla USB 3.0. Górne zawiera trzy osobne układy, każdy z nich zabezpiecza różne linie danych. Poniżej wszystkie linie zabezpieczające zostały zintegrowane w jednym układzie. Podobnie jak wcześniej osobne zabezpieczenie dla zasilania może zostać pominięte. Układ sześcio-kanałowy posiada bardzo niską wartość pojemności, ale ma niską wartość ochrony ESD wynoszącą 12kV.
Z większych producentów można jeszcze wyróżnić Texas Instruments.
Jeśli chodzi o linie danych to należy stosować układy posiadające niską pojemność, nie wpłynie to przez to znacząco na parametry linii. W przypadku ochrony linii zasilania to to zagadnienie może zostać pominięte. Bardziej należy mieć na uwadze możliwość odprowadzenia dużego wyładowania.
Rozwiązań pod względem możliwości wyboru jest mnóstwo, o wielu z nich nawet nie wspomniałęm, natomiast zasada ich działania natomiast pozostaje niezmienna. Odnośnie możliwości ich podłączenia to zasada pozostanie w większości taka sama, po dokładne informacje należy się kierować do dokumentacji producenta.
