Метод защиты USB-устройств от статических разрядов достаточно прост и традиционен - использование специальных подавителей разрядов - супрессоров (Suppressor). В USB-устройствах можно встретить несколько типов супрессоров:
Комбинированные супрессоры диодного типа.
Комбинированные транзисторные TVS-супрессоры.
Дискретные супрессоры.
Комбинированные супрессоры диодного типа.
Подавители выбросов напряжения являются обычно полупроводниковыми приборами, у которых вольт-амперная характеристика (ВАХ) аналогична стабилитрону. В условиях нормальной работы ограничители являются высокоимпедансной нагрузкой по отношению к защищаемой схеме и служат для защиты цепи. В идеальном случае, устройство выглядит как разомкнутая цепь с незначительным током утечки. Когда напряжение переходного процесса превышает рабочее напряжение цепи, импеданс ограничителя понижается, и ток переходного процесса начинает течь через ограничитель. Мощность, образовавшаяся при переходном процессе, рассеивается в пределах устройства и ограничивается максимально допустимой температурой перехода. Когда линейное напряжение достигает нормального уровня, ограничители автоматически возвращаются в высокоимпедансное состояние. Примером таких устройств является TVS-диод (рис. 1). TVS-диоды бывают двух типов: несимметричные и симметричные. Отличие их вольт-амперных характеристик демонстрирует рис. 2.
Рис. 1
Рис. 2
Особенностью защиты линий USB является то, что необходимо обеспечивать защиту высокоскоростных и низковольтных линий, именно поэтому часть защитных устройств, например TVS-диоды, применяться в USB не могут. На напряжениях, ниже 5В, стандартная технология TVS-диодов становится непрактичной. Решением данной проблемы является применение регулирующих низкоемкостных диодов (рис. 3).
Рис. 3
Между двух устройств, находящихся на линии, включены два источника фиксированного напряжения - питающее напряжение (VCC) и "земля" (GND). В тот момент, когда импульс напряжения на линии превысит сумму прямого напряжения диода и опорного напряжения, диоды направят его на питающую шину или "землю". Достоинством этого метода является низкая емкостная нагрузка, быстрое время реакции и двунаправленность (относительно опорного напряжения). Однако есть и недостатки, заключающиеся в том, что дискретные компоненты не рассчитаны на высокие скачки тока, связанные с ESD и могут выйти из строя. Другая проблема этого метода - это перенаправление импульса на питающую шину, что может привести к повреждению компонентов источника питания и других элементов, подключенных к этой же шине питания. Решает эту проблему добавление диода TVS на шину питания, для того, чтобы импульс перенапряжения направлялся на землю (рис.4). Именно таким образом и получают комбинированные супрессоры диодного типа.
Пример использования комбинированного супрессора (типа NUP4201DR2) для защиты двухканального интерфейса USB 2.0 приводится на рис. 5.
Рис. 4
Рис. 5
В принципе, в USB-устройствах можно встретить применение более простых интегральных супрессоров на базе регулирующих диодов. Примеры построения таких супрессоров представлены на рис. 6.
Рис. 6
Комбинированные транзисторные TVS-супресеоры.
Целое семейство интегральных супрессоров было предназначено для интерфейса USB1.1. Их эквивалентная структура и распределение сигналов по контактам показаны на рис. 7. Супрессоры такого типа выпускались фирмой Texas Instruments, и имели маркировку SN65220 (одноканальный супрессор), SN65240 и SN75240 (двухканальные супрессоры). Микросхемы этого типа обеспечивают подавление шумовых выбросов напряжения, образованных самыми различными источниками, уменьшая тем самым вероятность отказа микросхем контроллеров USB.
Рис. 7
Основными характеристиками и особенностями супрессоров этого типа являются:
напряжение ограничения ...6В;
малый ток утечки ... I мкА при напряжении 6В;
малое значение емкости ...35 пф;
защита о ESD до 15 кВ;
мощность импульса ...до 60Вт;
максимальное значение броска прямого тока ... ЗА;
максимальное значение броска обратного тока … -9А.
Вольт-амперная характеристика микросхем этого типа показана на рис. 8, а на рис. 9 демонстрируется принцип подключения микросхем к линиям USB. Микросхемы этого типа не предназначены для использования в интерфейсе USB 2.0 - этому мешает величина емкости супрессора. Емкость 35 пФ является малой лишь для USB 1.1, т.е. для скоростей LS и FS, а для скорости HS в USB 2.0 это значение является остаточно большим. Для защиты интерфейса USB 2.0 фирмой Texas Instruments производятся микросхемы на основе регулирующих диодов, например, микросхема TPD2E001.
Рис. 8
Рис. 9
Под дискретными супрессорами обычно подразумевается сразу несколько типов электронных приборов. Реальное же применение для защиты USB-интерфейсов нашли следующие из них:
Импульсные предохранители - Pulse Guard (PG);
Многоуровневые варисторы - Multi Layer Varistors (MLV);
Позисторы - Positive Temperature Coefficient (PTC).
Комбинация этих элементов защиты позволяет организовать полнофункциональную защиту всех элементов USB интерфейса. Принцип организации электростатической защиты USB интерфейса с помощью дискретных элементов демонстрируется на рис. 10. Дадим краткую характеристику элементов этой защиты.
Рис. 10
Рис. 11
Voltage - это импульс напряжения, возникающий на супрессоре в период пока его сопротивление изменяется с большого на малое, т.е. это выброс, возникающий в момент, когда супрессор переходит в режим фиксации напряжения. Но так как инерционность PulseGuard очень мала (менее 1 нс), этот всплеск получается очень коротким и его амплитуда составляет не более 1000 В. Таким образом, получается, что приборы PulseGuard пропускают короткие всплески напряжения величиной до 1000 В, но это, на самом деле, не страшно, т.к. все современные микросхемы имеют встроенную защиту от подобных всплесков величиной до 2000 В. Приборы PulseGuard предназначены для поверхностного монтажа и бывают двух типов - для защиты одной линии (серия PGB0603, например, PGB0010603) и для защиты двух линий, выпускаемых в корпусах SOT23.
Импульсные предохранители PulseGuard. выпускаемые фирмой Littelfuse из полимерных композитных материалов, являются ESD-супрессорами с очень малым значением емкости (0.055 пФ), что позволяет использовать их для защиты высокочастотных каналов передачи данных, и, в частности, каналов USB, работающих на скоростях HS (до 480 Мбит/с). Малая емкость этих приборов, практически, не искажает форму сигналов на информационных линиях (рис.11). Вольт-Амперная характеристика приборов PulseGuard представлена на рис.12. На этой характеристике наблюдается всплеск напряжения - Trigger Voltage (напряжение включения).
Trigger обычные SMD компоненты: чип-резисторы и чип-транзисторы. Основные характеристики PulseGuard:
напряжение включения ... 1000В;
напряжение фиксации ... 150В;
максимально допустимое постоянное напряжение на защищаемых линиях ... 24В;
емкость ... 0.055 пФ;
время реакции ... менее 1нс;
ток утечки (при 6В) ... менее 1нА;
минимальное количество выдерживаемых импульсов ... 1000.
Рис. 12
Последняя из приведенных характеристик говорит о том, что существует некоторый предел использования приборов PulseGuard, т.е. постепенно, с каждым новым срабатыванием, они несколько деградируют. Теоретически, существует такой момент времени, когда очередной ESD-разряд не будет "поглощен" супрессором и приведет к отказу USB-устройства.
Варисторы MLV предназначены для защиты линий питания и "земли" USB интерфейсов. Приборы MLV, фактически, являются типичными варисторами, задача которых заключается в защите от воздействия напряжения, имеющего больший номинал, чем порог срабатывания варистора. Принцип функционирования MLV при возникновении ESD-разряда поясняет рис. 13. Приборы MLV, также выпускаемые фирмой Littelfuse, представляют собой компоненты поверхностного монтажа.
Позисторы РТС - это терморезисторы с положительным температурным коэффициентом сопротивления (+ТКС). Эти приборы позволяют защитить линии USB от больших токов, вызванных, короткими замыканиями линии +5V и GND. При возникновении короткого замыкания в линии +5В, ток через РТС резко возрастает, что приводит к его разогреву и увеличению сопротивления. Переходя в состояние высокого сопротивления, РТС, фактически, размыкает цепь питания, отключая тем самым устройства USB. После того как причина большого тока в канале +5 V будет устранена, РТС остывает и восстанавливает свое малое сопротивление. Все выше перечисленные элементы защиты могут быть использованы и для защиты линий Fire Wire и Ethernet.
Рис. 13.
Версия сайта для слабовидящих