КОМПОНЕНТЫ ДЛЯ ЗАЩИТЫ ВЫСОКОСКОРОСТНОГО ИНТЕРФЕЙСА USB 3.0

В статье даны рекомендации по защите нового высокоско­ростного интерфейса USB 3.0 от перегрузок по току и напря­жению.

А. Мельниченко

Новый высокоскоростной интерфейс USB 3.0 был разработан для увеличения скорости передачи данных, а также расширения воз­можностей управления энергопотреблением. Его кабели и соединители совместимы с интер­фейсом USB 2.0. Основное отличие нового ин­терфейса — увеличение числа физических ли­ний связи, как показано на рис. 1 (дополни­тельные линии связи интерфейса USB 3.0 вы­делены желтым цветом).

Рис. 1. Линии связи интерфейса USB 3.0

В действующем стандарте на интерфейс USB 2.0 заложена возможность передачи дан­ных со скоростью до 480 Мбит/с. В отличие от этого стандарт на интерфейс USB 3.0 предус­матривает увеличение скорости передачи данных до 5 Гбит/с с возможностью ее сниже­ния для совместимости с интерфейсом USB 2.0. Для этого в интерфейсе USB 3.0 добавле­ны две дифференциальные линии связи: USB3_TX и USB3_RX. Контакты соедините­ля интерфейса USB 3.0 показаны на рис. 2, где белым цветом обозначены контакты ин­терфейса USB 2.0, а красным — дополнитель­ные контакты.

Рис. 2. Контакты соединителя интерфейса USB 3.0

Согласно спецификации на интерфейс USB 3.0 ток, питающий подключенные к нему уст­ройства, почти вдвое превышает ток, отдавае­мый интерфейсом USB 2.0 (0.9 А вместо 0.5 А). Это необходимо учитывать при выборе средств защиты цепей питания. Кроме защиты интер­фейса от перегрузки по току и напряжению следует также обеспечить его защиту от им­пульсных помех, вызванных действием стати­ческого электричества.

ЗАЩИТА ОТ ПЕРЕГРУЗКИ ПО ТОКУ

Перегрузка по току может нарушить нор­мальную работу системы питания аппаратуры. Поэтому, как указано в спецификации на ин­терфейс USB 3.0, в соединителях, доступных пользователю, должны быть установлены эле­менты защиты. После снятия перегрузки они должны восстанавливать свое состояние авто­матически без участия пользователя. Наибо­лее рентабельным решением для этого являет-

Рис. 3. Защитные элементы в цепях питания и передачи данных хост-компьютера

ся применение устройств РРТС (Polymeric Po­sitive Temperature Coefficient — полимерных термисторов с положительным ТКС). Одним из них является устройство PolySwitch™ фирмы Raychem, включение которого в цепь шины питания (рис. 3) позволяет предотвратить воз­никновение отказов в аппаратуре из-за случай­ного короткого замыкания в подключаемых к ней устройствах.

ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ УСТРОЙСТВ РРТС

Устройства РРТС получили широкое рас­пространение в качестве средств защиты от пе­регрузки по току. Благодаря низкому сопро­тивлению, быстроте реакции, а также малым габаритам и стоимости они с успехом исполь­зуются в интерфейсах различной аппаратуры. Подобно обычным предохранителям они пре­пятствуют протеканию тока, превышающего некоторый предел. Их отличительной особен­ностью является возможность восстановления проводимости после устранения причин, выз­вавших рост тока.

Устройства РРТС изготавливаются из кристаллического полимера, содержащего электропроводящий наполнитель (сажу). В нормальных условиях устройство имеет малое сопротивление. Однако при протека­нии слишком большого тока полимер перехо­дит в аморфное состояние, увеличиваясь в объеме, что приводит к разрыву связей меж­ду частицами сажи и, как следствие, резкому возрастанию сопротивления (рис. 4). В ре­зультате ток через устройство уменьшается до безопасного значения, поддерживающего его в состоянии высокого импеданса. После

устранения причин перегрузки устройство РРТС охлаждается и его проводимость вос­станавливается.

Рис. 4. Принцип действия устройств РРТС

ЗАЩИТА ОТ ПЕРЕГРУЗКИ ПО НАПРЯЖЕНИЮ

При размыкании тока в линиях, импеданс которых содержит индуктивную составляю­щую, генерируются выбросы напряжения, ко­торые могут нарушить работу подключенных к шине устройств. Для их устранения необхо­димо устанавливать дополнительные элемен­ты, демпфирующие эти выбросы.

Некоторые интерфейсы и устройства заряд­ки аккумуляторов могут представлять опас­ность для портативной электронной аппарату­ры из-за неправильно выбранных параметров зарядки или возникновения переходных про­цессов при подключении и отключении этой аппаратуры. Как правило, напряжение пита­ния в разъемах USB стабилизировано в преде­лах 5 В ±5 %, однако в отдельных случаях оно может превышать 5.25 В. Интерфейсы и систе­мы зарядки могут также генерировать напря­жение обратной полярности, повреждающее периферийные устройства, не имеющие защи­ты.

Испытания, проведенные компанией Tyco Electronics, показали, что в результате пере­ходных процессов при «горячем» подключе­нии и отключении аппаратуры могут возни­кать очень короткие импульсы амплитудой до 16-24 В и более. Были также выявлены выпус­каемые третьими фирмами зарядные устрой­ства, выходное напряжение которых в отсут­ствие нагрузки превышало 5 В ±5 %. Включе­ние устройств защиты от превышения напря­жения, таких как элементы PolyZen фирмы Raychem, в цепи питания подключаемых к разъему USB устройств позволяет защитить их от перегрузки по напряжению при переходных процессах (рис. 5).

Рис. 5. Защита цепей питания и передачи данных в устройстве, подключаемом к интерфейсу USB 3.0

Элемент PolyZen представляет собой мик­росборку, состоящую из прецизионного стаби­литрона и устройства РРТС. Стабилитрон ог­раничивает выходное напряжение на безопас­ном уровне, а устройство РРТС препятствует увеличению протекающего через него тока сверх допустимого значения. Таким образом, этот элемент обеспечивает комплексную защи­ту аппаратуры от перегрузок по току и напря­жению.

ЗАЩИТА ОТ СТАТИЧЕСКОГО ЭЛЕКТРИЧЕСТВА

Импульсы высокого напряжения, возника­ющие на шине питания и в линиях передачи данных, часто являются результатом действия статического электричества. Хотя современ­ные микросхемы проектируются с учетом обеспечения их устойчивости к действию ста­тического электричества напряжением до 2 кВ, тело человека может легко создать электростатический заряд напряжением до 25 кВ. Для защиты линий передачи данных от статического электричества необходимо ис­пользовать компоненты с очень малой ем­костью и малым временем реакции.

Для подавления импульсных помех наибо­лее часто используются многослойные варис­торы или ограничительные диоды (супрессо­ры). Однако, чтобы исключить влияние защитных устройств на скорость передачи данных, для защиты интерфейса USB 3.0 от статического электричества необходимо ис­пользовать компоненты с емкостью, меньшей, чем для интерфейса USB 2.0. Применение для этой цели устройств PESD фирмы Raychem позволяет уменьшить вносимые потери и вы­полнить требования, предъявляемые к глазко­вой диаграмме интерфейса USB 3.0. При типо­вой емкости 0.2 пФ и малой величине вноси­мых потерь (менее 1 дБ на частотах до 6 ГГц) устройства PESD имеют малое напряжение ограничения (clamping voltage), обеспечивая тем самым надежное подавление помех. Кроме того, защищаемая ими аппаратура удовлетво­ряет требованиям устойчивости к действию электростатического разряда, оговоренным стандартом по электромагнитной совместимос­ти IEC61000-4-2 (8 кВ для контактного и 15 кВ — для воздушного разряда).

Полная схема защиты линий питания и пе­редачи данных интерфейса USB 3.0, включаю­щая элементы защиты как на передающей, так и на приемной стороне, приведена на рис. 6.

Рис. 6. Полная схема защиты интерфейса USB 3.0

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Применение устройств РРТС, таких как PolySwitch, дает возможность простыми и эко­номичными способами обеспечить защиту ин­терфейса USB 3.0 от перегрузки по току. Устой­чивый к перегрузкам элемент PolyZen позволя­ет защитить цепи от превышения напряжения. Он может поглощать большую импульсную мощность без необходимости дополнительного охлаждения. Для защиты линий передачи дан­ных от действия статического электричества используются элементы PESD. Они имеют ма­лую емкость, что необходимо для обеспечения высокой скорости передачи данных.

Фирма Raychem Circuit Protection^®, входя­щая в компанию Tyco Electronics, уже на про­тяжении 25 лет является одной из лидирую­щих фирм в разработке и производстве поли­мерных элементов защиты от перегрузок по току и напряжению. В последние годы фирма существенно обогатила спектр выпускаемой ею продукции.

Дополнительную информацию о продукции компании Tyco Electronics можно получить в сети Интернет по адресу: www.circuitprotec— tion.ru или www.tycoelectronics.com, а также в фирме VD MAIS — официальном дистрибьюто­ре Tyco Electronics в Украине.