Wie sich USB-Schnittstellen wirkungsvoll schützen lassen

Anbieter zum Thema

Würth Elektronik eiSos GmbH & Co. KG

Treston Deutschland GmbH

E.E.P.D. Electronic Equipment Produktion & Distribution GmbH

Das Problem: Einige dieser Punkte können nicht beeinflusst werden – beispielsweise die technische Realisierung eines zugekauften USB-Controllers oder die Verwendung von billigen USB-Kabeln beim Endanwender. Deshalb müssen Präventivmaßnahmen getroffen werden, um die Schnittstelle vor Einwirkung von Fremdstörungen zu schützen, die zur Zerstörung des USB-Controllers führen könnten, und um Störabstrahlungen von Signalen über das Kabel zu begrenzen.

Worauf es bei der Auswahl der Schutzbausteine ankommt

Der Schutz vor elektrostatischer Entladung ist definiert als: Schutz gegen ESD-Impulse gemäß EN 61000-4-2, Schutz gegen Surge-Impulse gemäß EN 61000-4-5 sowie Schutz gegen Burst-Impulse gemäß EN 61000-4-4. Transient-Voltage-Suppressor-Dioden (TVS) müssen diese Funktionen erfüllen. Wichtig hierbei: Um schnelle Datenleitungen wie USB vor Überspannung zu schützen, sollten TVS und keramische ESD-Suppressoren mit niedriger Kapazität gewählt werden, damit es nicht zu Verzerrungen des USB-Signals kommt.

So hat Würth Elektronik eiSos Bauelemente entwickelt, die genau hierauf optimiert und auf der Datenleitung unsichtbar sind. TVS-Dioden mit Kapazitäten unter 1 pF und keramische ESD-Suppressoren mit Kapazitäten bis zu 0,2 pF sind für die Absicherung von USB-Schnittstellen eine gute Wahl.

Bei der Auswahl der Bauteile muss man sich einige Fragen stellen: Gibt es eine Versorgungspannung für „Rail to Rail“-Verschaltungen (GND < I/O-Signal < V_cc)? Die Wahl fällt auf eine TVS-Diode. Gibt es keine Versorgungsspannung oder sollen keramische Bauteile bevorzugt werden? In diesem Fall muss man eine TVS-Diode auswählen, bei der der VDD-Pin floaten kann, oder man setzt ESD Suppressoren ein wie die WE-VE „ULC“ Serie von Würth Elektronik. Weitere Fragen: Welche maximale ESD-Spannung wird erwartet? Sollen ein oder zwei USB-Schnittstellen geschützt werden?

Ein TVS-Diodenarray ist die bessere Wahl

Wird eine USB-Datenleitung an zwei I/O-Pins der TVS-Diode angeschlossen, ergibt dies übrigens immer einen besseren Schutz, weshalb man ein TVS-Dioden-Array bevorzugt einsetzen sollte. Für ein umfassend EMV-gerechtes Design ist es wichtig, auch die Spannungsversorgung (VBUS) zu befiltern. Viele Entwickler vernachlässigen diesen Punkt und wundern sich beim Test im EMV-Labor, wenn ihr Produkt die Tests nicht besteht. Zwei optimierte Designs für eine beziehungsweise zwei USB-Schnittstellen werden hier gezeigt. Mit einer TVS-Diode können zwei USB-Leitungen geschützt werden. Alle vier Signalleitungen sowie die gemeinsame Spannungsversorgung sind gut gegen ESD geschützt.

Als weitere Optimierung wird mit einer stromkompensierten Datenleitungsdrossel und den Kondensatoren ein LC-Filter aufgebaut, um eingangsseitig vorliegende Gleich- und Gegentaktstörungen zu filtern. Auf der Spannungsversorgung wird mit einem SMD-Ferrit der WE-CBF-Serie eine hervorragende Entstörung erreicht (Bild 1).

(ID:43392487)