USB, HDMI, Ethernet: низкоемкостные ESD-сборки для защиты высокоскоростных интерфейсов

1 июля 2016

телекоммуникацииинтернет вещейLittelfuseстатьяESD

Благодаря надежности и высокой скорости передачи интерфейсы USB 2.0, USB 3.0, HDMI, FireWire и Ethernet завоевали огромную популярность и стали нормой даже для самых простых электронных устройств. Защита таких интерфейсов от статических разрядов имеет целый ряд особенностей. Поэтому для этой цели необходимо использовать особые ESD-сборки. В статье дан обзор специализированных низкоемкостных ESD-сборок Littelfuse для защиты высокоскоростных интерфейсов.

Статические разряды с легкостью могут вывести электронику из строя. Чтобы этого не происходило, необходимо применять различные меры безопасности.

Какие средства защиты следует использовать? Это зависит от конкретного приложения. Для достижения устойчивости к мощным разрядам стоит применять газовые разрядники или варисторы. Если требуется защита от статики низкочастотных низковольтных приложений, то идеальным выбором станут одиночные TVS-диоды и их сборки. Отдельно выделяют задачу обеспечения защиты высокоскоростных интерфейсов. Специально для этой цели компания Littelfuse выпускает несколько серий специализированных ESD-сборок.

Особенности защиты высокоскоростных интерфейсов

Главной отличительной чертой высокоскоростных интерфейсов является внушительная скорость передачи данных. Вот лишь несколько примеров: 10/100/1000 Мбит/с для Ethernet, 3,4 Гбит/с для одной дифференциальной пары HDMI 1.3, 480 Мбит/с для USB 2.0, 5 Гбит/с для USB 3.0. Для достижения таких частот требуются прилагать максимум усилий на всех уровнях: начиная от программного обеспечения и заканчивая физической средой передачи сигналов. При этом именно физическая реализация оказывается наиболее критическим местом.

Для получения достаточной надежности передачи данных необходимо обеспечить высокий уровень помехозащищенности и целостности сигналов. По этой причине все вышеперечисленные интерфейсы используют дифференциальные низковольтные линии.

В качестве физического канала выступает витая пара, в большинстве случаев – экранированная. При этом кабель должен обладать отличными характеристиками: минимальной неоднородностью параметров, идеальным согласованием проводов внутри одной пары, идеальным согласованием длин и т.д. Если между проводниками одной витой пары появится рассогласование, например различия по сопротивлению или по емкости, то это неизбежно приведет к искажению сигнала или возникновению задержек между линиями.

Обычные TVS-диоды и ESD-сборки имеют, большую емкость, которая может значительно отличаться от компонента к компоненту и от канала к каналу. По этой причине их использование для защиты высокоскоростных дифференциальных интерфейсов практически исключено. Только ESD-сборки с минимальной собственной емкостью и высокой скоростью срабатывания позволят в таких случаях защититься и сохранить высокую скорость обмена данными. Чаще всего для защиты сигнальных линий высокоскоростных интерфейсов используют низкоемкостные шунтирующие диоды, подключенные к линиям земли и питания.

Еще одним важным требованием к компонентам является минимальный собственный ток утечки. Высокий ток утечки дополнительно подгружает выходы передатчиков, что не всегда допустимо. У TVS-диодов общего применения он, как правило, бывает слишком высоким (сотни мкА). У специализированных шунтирующих диодов ток утечки гораздо ниже и составляет десятые доли или единицы мкА.

Не стоит забывать и о значении напряжения ограничения. Чем больше разница между напряжением ограничения и рабочим напряжением — тем хуже. По этой причине использование стандартных TVS-диодов иногда оказывается бессмысленным. Например, если рабочее напряжение защитного диода равно 5 В, то напряжение ограничения может легко превысить 9 В, а это значение недопустимо для большинства чувствительных микросхем. Более того, большинство дифференциальных высокоскоростных интерфейсов является низковольтными (3,3 В и ниже), а TVS выпускаются для рабочих напряжений от 5 В. Решить эту проблему, как и предыдущую, можно за счет использования шунтирующих диодов.

Наиболее часто высокоскоростные интерфейсы используются в портативных приборах, по этой причине ESD-сборка должна иметь минимальные габариты.

Из всего вышесказанного можно сделать вывод, что идеальным решением для защиты от статики высокоскоростных интерфейсов станут миниатюрные ESD-сборки, которые будут интегрировать в себе низкоемкостные шунтирующие диоды с малыми утечками, подключаемые к сигнальным линиям, и один или несколько TVS-диодов, подключенных на линии питания интерфейсов. Именно по такой схеме и выполнено большинство сборок Littelfuse.

Обзор ESD-сборок Littelfuse для защиты высокоскоростных интерфейсов

В предыдущем разделе в общих чертах были сформулированы основные требования к ESD-сборкам, используемым для защиты высокоскоростных интерфейсов. Все эти требования соблюдены в продукции Littelfuse:

  • минимальная собственная емкость: 0,4…2 пФ на канал;
  • минимальный ток утечки: 0,1…1,5 мкА;
  • высокий рейтинг защиты: 8…20 кВ при контактном разряде, что выше, чем требования, прописанные в МЭК61000-4-2 ( IEC61000-4-2);
  • минимальное различие между рабочим напряжением и напряжением ограничения за счет использования низкоемкостных шунтирующих диодов;
  • большинство сборок включает в себя не только низкоемкостные шунтирующие диоды, но и ограничительный TVS-диод по питанию;
  • различное число каналов помогает находить подходящую сборку на заданное число защищаемых дифференциальных линий;
  • миниатюрные габаритные размеры от SOT23-6 до 0402 (SOD882).

Номенклатура Littelfuse содержит два десятка серий ESD-сборок (таблица 1). Большинство из них представляет собой схемы, предназначенные для защиты униполярных дифференциальных линий. В данном случае надо понимать, что под словом «униполярный» имеется в виду способ подключения сборки, но сама сборка осуществляет защиту от перенапряжений обоих полярностей, то есть и от отрицательных импульсов.

Таблица 1. ESD-сборки Littelfuse для защиты высокоскоростных интерфейсов

Наименование Число
каналов
Способ
подключения
Рабочее напряжение, В C, пФ Iут, мкА Рейтинг (Contact Discharge, IEC61000-4-2), кВ Корпус
SP0502B 2 Униполярный 5 1 0,5 ±15 SOT523
SP0504S 4 Униполярный 6 0,85 0,5 ±12 SOT23-6
SRV05 4 Униполярный 6 2 0,1 ±20 SOT23-6
SP0524P 4 Униполярный 5 0,5 1,5 ±12 µDFN-10
SP1255P 3 Униполярный 4/12 0,5 0,1 ±30 µDFN-6
SP3001 4 Униполярный 6 0,65 0,5 ±8 SC70
SP3002 4 Униполярный 6 0,85 0,5 ±12 SC70, SOT23, µDFN-6
SP3003 2/4/8 Униполярный 6 0,65 0,5 ±8 µDFN-6, SC70, SOT553, SOT563 MSOP10
SP3004 4 Униполярный 6 0,85 1 ±12 SOT563
SP3006 2 Биполярный 6 0,5 0,5 ±8 SOT563
SP3010 4 Униполярный 6 0,45 0,5 ±12 µDFN-10
SP3011 6 Униполярный 6 0,4 0,5 ±8 µDFN-14
SP3012 2/4/6 Униполярный 5 0,5 1,5 ±12 µDFN-10, µDFN-14
SP3014 2 Униполярный 5 1 1 ±15 µDFN-6L
SP3021 1 Биполярный 5 0,5 1 ±8 0402 (SOD882)
SP3022 1 Биполярный 5,3 0,3 0,1 ±20 0402 (SOD882), 0201
SP3031 1 Униполярный 5 0,8 1 ±10 0402 (SOD882)
SP5001 4 Униполярный 5 0,8 0,1 ±15 TDFN-10
SP5002 6 Униполярный 5 0,8 0,1 ±15 TDFN-16
SP5003 4 Униполярный 5 0,8 0,1 ±15 TDFN-10

Каждая из приведенных серий имеет достаточно четкую специализацию. Наибольшее распространение получили недорогие и компактные серии, применяемые для защиты популярных интерфейсов: USB2.0, USB3.0, HDMI и Ethernet.

Популярные серии низкоемкостных ESD-сборок Littelfuse

Серия SP0504 – четырехканальная сборка, которая включает в себя низкоемкостные шунтирующие диоды и общий для всех каналов TVS-диод для защиты от помех по линиям питания (рисунок 1). Важным достоинством серии является сертификация в соответствии с AEC-Q101 для автомобильных приложений.

Рис. 1. Внешний вид и внутренняя структура ESD-сборок серии SP0504

Рис. 1. Внешний вид и внутренняя структура
ESD-сборок серии SP0504

Собственная емкость таких ESD-сборок составляет всего 0,85 пФ, а ток утечки – 0,5 мкА (таблица 2). Как было сказано выше, именно по этой причине SP0504 практически не искажает сигналы и не вносит значительного рассогласования в дифференциальные линии при защите высокоскоростных интерфейсов.

Таблица 2. Характеристики серий ESD-сборок SP0504 и SRV05 от Littelfuse

Наименование Uраб, В Число
каналов
C, пФ Uогр (ток 1 А), 8/20 µs Iпик
(8/20 µs), А
Iут, мкА Рейтинг (Contact Discharge, IEC61000-4-2), кВ Корпус
SP0504SHTG 6 4 0,85 9,5 4,5 0,5 ±12 SOT23-6
SRV05-4HTG 6 4 2 8,8 10 0,1 ±20 SOT23-6

Благодаря отличным характеристикам и наличию четырех каналов SP0504 может использоваться для защиты «медленных» версий популярных интерфейсов (USB 1.1, USB 2.0, Ethernet 10/100).

Например, SP0504SHTG станет идеальным выбором для защиты USB 1.1 во всех режимах работы: с низкой пропускной способностью (Low-Speed) до 1,5 Мбит/с и с высокой пропускной способностью (Full-Speed) до 12 Мбит/с.

SP0504SHTG может применяться и для USB 2.0 в низкоскоростных режимах: Low-speed до 1,5 Мбит/c (например, в клавиатурах и мышах), Full-speed до 12 Мбит/с (например, в аудио- и видеоустройствах).

Рис. 2. Пример использования SP0504SHTG или SRV05-4HTG для защиты USB 1.1 и USB 2.0

Рис. 2. Пример использования SP0504SHTG или SRV05-4HTG для защиты USB 1.1 и USB 2.0

Рис. 3. Пример использования SP0504SHTG или SRV05-4HTG для защиты Ethernet 10/100

Рис. 3. Пример использования SP0504SHTG
или SRV05-4HTG для защиты Ethernet 10/100

На физическом уровне протоколов USB 1.1 и USB 2.0 используется одна дифференциальная пара (линии D+ и D-). Каждая линия USB подключается к отдельному каналу SP0504SHTG (рисунок 2). Кроме того, к линиям питания подключаются выводы внутреннего TVS-диода с рабочим напряжением 6 В и напряжением ограничения 9,5 В. Дополнительным преимуществом SP0504SHTG является возможность защиты пары портов USB с помощью одной сборки благодаря наличию четырех каналов (рисунок 2).

Наличие четырех каналов делает возможным использование SP0504SHTG для защиты Ethernet 10/100 (рисунок 3). Физически Ethernet 10/100 реализован в виде двух дифференциальных пар: передачи TX+ и TX-, приема RX+ и RX-. Каждая из линий подключается к отдельному каналу SP0504SHTG (рисунок 3). В данном случае вывод TVS-диода остается неподключенным.

Серия SRV05 включает в себя одного представителя – SRV05-4HTG. Это четырехканальная ESD-сборка, объединяющая в себе низкоемкостные шунтирующие диоды и TVS-диод по питанию (рисунок 4).

Рис. 4. Внешний вид и внутренняя структура ESD-сборок серии SRV05

Рис. 4. Внешний вид и внутренняя структура ESD-сборок серии SRV05

По своей структуре и по корпусному исполнению сборка SRV05-4HTG полностью идентична уже рассмотренной сборке SP0504SHTG. По характеристикам они также близки (таблица 2). Собственная емкость SRV05-4HTG выше (2 пФ), но зато она обеспечивает более высокий рейтинг защиты до 20 кВ, при этом допустимый ток ограничения у нее оказывается в два раза больше.

Стоит отметить, что сборка SRV05-4HTG не сертифицирована в соответствии с AEC-Q101. В итоге можно утверждать, что области применения у SRV05-4HTG и SP0504SHTG практически совпадают, но SRV05-4HTG следует применять для более ответственных неавтомобильных приложений. При этом схемы подключений остаются точно такие же, как и для SP0504SHTG (рисунки 2, 3).

Серия SP3002 – группа четырехканальных сборок с шунтирующими низкоемкостными диодами и общим TVS-диодом ограничения (рисунок 5).

Рис. 5. Внешний вид и внутренняя структура ESD-сборок серии SP3002

Рис. 5. Внешний вид и внутренняя структура ESD-сборок серии SP3002

По внутренней структуре данная серия идентична двум сериям, рассмотренным выше. Более того, SP3002-04HTG и SP0504SHTG имеют практически идентичные характеристики и полную повыводную совместимость (таблица 3). Единственное отличие между ними заключается в том, что SP3002-04HTG не имеет сертификации AEC-Q101.

Таблица 3. Характеристики серии ESD-сборок SP3002

Наименование Uраб, В Число
каналов
C, пФ Uогр (ток 1 А), 8/20 µs Iпик
(8/20 µs), А
Iут, мкА Рейтинг (Contact Discharge, IEC61000-4-2), кВ Корпус
SP3002-04HTG 6 4 0,85 9,5 4,5 0,5 ±12 SOT23-6
SP3002-04JTG 6 4 0,85 9,5 4,5 0,5 ±12 SC70-6
SP3002-04UTG 6 4 0,85 9,5 4,5 0,5 ±12 µDFN-6

Кроме корпусного исполнения SOT23-6, пользователю предлагаются и более миниатюрные исполнения: SP3002-04JTG (корпус SC70-6) и SP3002-04UTG (корпус μDFN-6).

В качестве примера использования серии SP3002 можно привести организацию защиты портов USB 2.0 и Ethernet с помощью SP3002-04JTG (рисунок 6).

Рис. 6. Пример использования SP3002-04JTG для защиты USB 2.0 и Ethernet 10/100

Рис. 6. Пример использования SP3002-04JTG для защиты USB 2.0 и Ethernet 10/100

SP3003 – группа многоканальных ESD-сборок с низкой собственной емкостью 0,65 пФ. Все они построены по уже привычной схеме: низкоемкостные шунтирующие диоды и общий ограничительный TVS для линий питания (рисунок 7).

Рис. 7. Внешний вид и внутренняя структура ESD-сборок серии SP3003

Рис. 7. Внешний вид и внутренняя структура ESD-сборок серии SP3003

Серия включает семь представителей с различным числом каналов и различными корпусными исполнениями (таблица 4): двухканальные SP3003-02JTG, SP3003-02UTG и SP3003-02XTG, четырехканальные SP3003-04ATG, SP3003-04JTG и SP3003-04XTG и восьмиканальные SP3003-08ATG.

Таблица 4. Характеристики серии ESD-сборок SP3003

Наименование Uраб, В Число
каналов
C, пФ Uогр (ток 1 А), 8/20 µs Iпик (8/20 µs), А Iут, мкА Рейтинг (Contact Discharge, IEC61000-4-2), кВ Корпус
SP3003-02JTG 6 2 0,65 10 2,5 0,5 ±8 SC70-5
SP3003-02UTG 6 2 0,65 10 2,5 0,5 ±8 µDFN-6L
SP3003-02XTG 6 2 0,65 10 2,5 0,5 ±8 SOT553
SP3003-04ATG 6 4 0,65 10 2,5 0,5 ±8 MSOP-10
SP3003-04JTG 6 4 0,65 10 2,5 0,5 ±8 SC70-6
SP3003-04XTG 6 4 0,65 10 2,5 0,5 ±8 SOT563
SP3003-08ATG 6 8 0,65 10 2,5 0,5 ±8 MSOP-10

Рис. 8. Пример использования SP3003-02JTG для защиты USB 2.0 High-Speed

Рис. 8. Пример использования SP3003-02JTG
для защиты USB 2.0 High-Speed

Минимальная емкость и низкий ток утечки позволяют применять SP3003 в скоростных интерфейсах USB 2.0, DVI и Ethernet. При этом, в отличие от рассмотренных выше серий, SP3003 может использоваться и для защиты USB High-Speed со скоростью передачи до 480 мБит/с, и даже для Gigabit Ethernet. В качестве примера на рисунке 8 приведена организация защиты USB 2.0 с помощью SP3003-02JTG.

Серия SP3012 – группа многоканальных ESD-сборок с типовой емкостью каналов всего 0,5 пФ. Рекордно низкая емкость делает данную серию идеальным выбором для защиты наиболее высокоскоростных интерфейсов.

В настоящий момент серия объединяет в себе четырех представителей: трехканальную сборку SP3012-03UTG, четырехканальные SP3012-04UTG и SP3012-04HTG, шестиканальную SP3012-06UTG (таблица 5, рисунок 9).

Таблица 5. Характеристики серии ESD-сборок SP3012

Наименование Uраб, В Число
каналов
C, пФ Uогр (ток 1 А), 8/20 µs Iпик (8/20 µs), А Iут, мкА Рейтинг (Contact Discharge, IEC61000-4-2), кВ Корпус
SP3012-03UTG 5 3 0,5 6,6 4 1,5 ±12 µDFN-6
SP3012-04UTG 5 4 0,5 6,6 4 1,5 ±12 µDFN-10
SP3012-06UTG 5 6 0,5 6,6 4 1,5 ±12 µDFN-14
SP3012-04HTG 5 4 0,5 6,6 4 1,5 ±12 SOT23-6

Рис. 9. Внешний вид и внутренняя структура ESD-сборок серии SP3012

Рис. 9. Внешний вид и внутренняя структура ESD-сборок серии SP3012

Все представители данной группы имеют рейтинг защиты 12 кВ по МЭК61000-4-2, типовую емкость 0,5 пФ и небольшой ток утечки 1,5 мкА. Важно отметить, что рабочее напряжение встроенного TVS составляет 5 В, а напряжение ограничения – всего 6,6 В (при токе импульса до 1 А).

Благодаря минимальной емкости и малым утечкам SP3012 могут использоваться для защиты таких высокоскоростных интерфейсов как USB 3.0, eSATA и HDMI.

Интерфейс USB 3.0 использует три дифференциальных пары для передачи. Две скоростные пары SSTX± и SSRX± нужны для передачи данных со скоростью до 5 Гбит/с. Еще одна пара D± необходима для обратной совместимости с USB 2.0 и USB 1.1, по ней данные передаются с о скоростью до 480 Мбит/с. Таким образом, для организации защиты USB 3.0 нужна шестиканальная быстродействующая низкоемкостная сборка. В данном случае идеальным выбором станет SP3012-06UTG в миниатюрном корпусном исполнении µDFN-14 (рисунок 10).

Рис. 10. Пример использования сборок SP3012 для защиты USB 3.0 и HDMI

Рис. 10. Пример использования сборок SP3012 для защиты USB 3.0 и HDMI

Еще более высоких скоростей передачи данных позволяет достигать интерфейс HDMI. Он использует три дифференциальных пары данных D0±, D1±, D2± и дифференциальную пару для передачи тактового сигнала CLK±. Скорость передачи данных для каждого из каналов достигает 3,4 Гбит/с, а суммарная пропускная способность HDMI составляет 10,2 Гбит/с. Для защиты этого интерфейса идеально подходит схема с двумя четырехканальными сборками SP3012-06UTG в корпусном исполнении µDFN-10 (рисунок 10).

В статье были приведены примеры использования различных сборок. Однако это были лишь частные приложения. Каждая из серий может использоваться и для защиты других интерфейсов. Ниже представлена сводная таблица 6, с указанием рекомендованных приложений для каждой из серий низкоемкостных ESD-сборок от Littelfuse.

Таблица 6. Рекомендованные приложения низкоемкостных ESD-сборок производства компании Littelfuse

Наименование DVI Digital Camera USB 1.1 USB 2.0 USB 3.0 IEEE

1394

HDMI eSATA ЖК-мониторы ЖК портативной электроники MIPI Ethernet T1/E1/

T3/E3

SP0502B + + + +
SP0504S + + + + + +
SRV05 + + + + +
SP0524P +
SP3001 + + + + + + + +
SP3002 + + + + + + +
SP3003 + + + + + + + +
SP3004 + + + + + + + +
SP3006 + + + + + +
SP3010 + + +
SP3011 + +
SP3012 + + + + + +
SP3014 + +
SP3021 + + + + + + +
SP3022 + + + + + + + + +
SP3031 + + + + + + +
SP5001 + + + +
SP5002 +
SP5003 + + +

Заключение

Для защиты высокоскоростных интерфейсов от статики необходимо использовать низкоемкостные ESD-сборки с минимальным токами утечки. Компания Littelfuse предлагает широкий выбор таких компонентов.

Номенклатура Littelfuse включает несколько серий ESD-сборок с различными характеристиками для защиты наиболее популярных интерфейсов USB 1.1, USB 2.0, USB 3.0, HDMI, Ethernet, DVI, FireWire и других.

Отличительными чертами ESD-сборок Littelfuse являются: низкая емкость (от 0,5 пФ), минимальные токи утечки (от 0,3 мкА), высокий рейтинг защиты МЭК 61000-4-2 (не ниже 8 кВ при контактном разряде), одноканальные и многоканальные исполнения в миниатюрных корпусах.

Литература

  1. TVS Diode Array. Transient Voltage Suppression SPA® Diode. PRODUCT CATALOG & DESIGN GUIDE. 2013, Littelfuse.
  2. ESD Protection Products Brochure. 2012, Littelfuse.
  3. ESD Suppression Protection Design Guide. 2009, Littelfuse.
  4. http://www.littelfuse.com/.

Получение технической информации, заказ образцов, заказ и доставка.

•••

Наши информационные каналы

О компании Littelfuse

Компания Littelfuse является ведущим мировым производителем компонентов и устройств для защиты электрических и электронных цепей любого рода. Поставляемые компанией компоненты и системы, во многих случаях являются жизненно важными для устройств в практически всех отраслях и видах продукции: от бытовой электроники и автомобилей до электроэнергетики. Littelfuse предлагает наиболее широкий и полный спектр компонентов и систем защиты цепей на рынке электронных компонентов. Компания расширяет и н ...читать далее