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Sep 12, 2023

Intégrité du signal TDK TVS pour USB4® et Thunderbolt® 4

Les périphériques utilisant l'USB sont largement utilisés et leurs connecteurs peuvent être

Les périphériques utilisant l'USB sont largement utilisés et leurs connecteurs peuvent être exposés au phénomène environnemental de décharge électrostatique (ESD). Cela peut endommager les circuits électroniques sensibles des appareils portables. L'approche standard de ce problème consiste à ajouter des composants de protection à l'intérieur, qui suppriment les niveaux de tension plus élevés et potentiellement dommageables en dessous des niveaux de seuil des circuits intégrés en redirigeant les surintensités loin des circuits intégrés sensibles et en absorbant l'énergie délivrée. Ces dispositifs de protection doivent être invisibles pour les circuits pendant le fonctionnement normal et ne doivent pas altérer le signal de communication sur les lignes protégées. Contrairement à l'USB 2.0 et aux générations suivantes jusqu'à l'USB 3.2, qui sont sur le marché depuis longtemps et ont été développés séparément des autres protocoles, l'USB4® et le Thunderbolt 3 suivent la même "USB4 Electrical Compliance Test Specification". Du point de vue de la fréquence du signal, les signaux Thunderbolt 3 et Thunderbolt 4 sont les mêmes. La solution de protection ESD est donc également la même. En pratique, cela signifie que les solutions de protection ESD conçues pour l'un de ces protocoles peuvent être utilisées pour l'autre puisque la fréquence utilisée dans la ligne de communication est la même.

Le USB4 Implementers Forum (USB-IF) a travaillé sur le dernier protocole dans le but d'offrir des fonctionnalités d'affichage, de données et de chargement/stockage via un seul connecteur USB4 Type-C® tout en conservant la compatibilité avec l'écosystème USB existant, y compris le compatibilité avec les produits Thunderbolt® via le connecteur USB4 Type-C, qui prend également en charge les systèmes Thunderbolt 4 (TBT4) en mode Alt [réf : www.usb.org]. Ce connecteur a été largement accepté en raison du fait pratique qu'il est inversible enfichable, ce qui a été réalisé en fabriquant des broches en miroir des deux côtés du connecteur. Ces broches doivent être connectées avec une protection ESD adéquate car elles peuvent facilement être exposées à un événement ESD lors d'une utilisation quotidienne.

La figure ci-dessous montre la disposition des 24 broches utilisées dans la prise USB-C. La meilleure pratique consiste à placer la protection ESD aussi près que possible de la source de l'événement transitoire, c'est-à-dire du connecteur. Cela signifie qu'il faut des dispositifs de protection contre les surtensions miniaturisés qui ne prennent pas beaucoup de place et offrent pourtant une protection suffisante. Sur ces 24 broches de connecteur illustrées ci-dessous, quatre sont utilisées pour la connexion à la terre et ne nécessitent pas de protection. Interface prise [réf : www.usb.org]

En raison de la conception réversible de la pointe de la prise USB Type-C et de la redondance des broches D+ et D- sur les côtés, 18 broches sont connectées. Les D-/D+ sont les broches utilisées pour connecter la paire différentielle + et - USB 2.0. Il suffit donc que le côté prise prenne en charge les deux broches de la paire différentielle USB 2.0 (placées au-dessus et dans la rangée inférieure), tandis que l'orientation de la fiche détermine quelle paire sera active.

GND - marqué comme retour de masse, toutes les broches de retour de masse sont connectées sur le PCB. Les broches Tx et Rx sont utilisées pour les données à haut débit, et la protection de ces broches doit être choisie avec soin, en tenant compte de l'intégrité du signal sur ces lignes.

VBUS - La broche d'alimentation du bus, prenant en charge des tensions et des courants plus élevés, permet une charge rapide via ces broches. La tension nominale sur les broches du bus est jusqu'à 20 V et les courants jusqu'à 5 A, pour une puissance maximale de 100 W.

En plus des avantages du port USB Type-C mentionnés précédemment, un protocole USB PD (Power Delivery) permet une charge rapide des appareils finaux et plus de flexibilité pour l'utilisateur final. La tension spécifiée pour l'USB PD est jusqu'à 48 V et peut être utilisée en combinaison avec un câble à plage de puissance étendue (EPR) [réf : "USB Type-C Cable Connector Specification", octobre 2022] comme indiqué ci-dessous :

Remarques 1 : alors que la spécification USB BC 1.2 permet à un fournisseur d'alimentation d'être conçu pour prendre en charge un niveau de puissance compris entre 0,5 A et 1,5 A, la spécification USB Type-C exige qu'un port source prenant en charge USB BC 1.2 soit au minimum capable de fournissant 1,5 A et annonce le courant USB Type-C @ 1,5 A en plus de prendre en charge la terminaison du fournisseur d'alimentation USB BC 1.2.

Les broches CC - Configuration Channel et SBU - Sideband Use sont utilisées pour détecter la configuration de la connexion et pour une utilisation supplémentaire du connecteur Type-C pour d'autres protocoles pris en charge en mode alternatif (Alt), comme le protocole HDMI, par exemple. [réf : USB.org]. Avec les broches VBUS et Différentiel (D+ et D- comme indiqué ci-dessus), ces broches sont des broches de ligne de signal à faible vitesse, tandis que les broches Tx/Rx sont connectées à des lignes de communication à haut débit. Ce connecteur USB4 Type-C est également le connecteur de choix pour devenir le connecteur de périphérique "un pour tous" pour les chargeurs dans l'Union européenne. Avec la nouvelle directive sur les équipements radio, le Parlement européen impose une harmonisation avec les ports de charge et la technologie de charge rapide. Après son adaptation par le Parlement européen et le Conseil selon la procédure législative ordinaire (codécision), il y a une période de transition de 24 mois avant de devenir le chargeur standardisé pour les pays de l'UE. [réf : https://ec.europa.eu/commission/presscorner/detail/en/IP_21_4613 ]. Une normalisation supplémentaire sur l'USB et la charge se trouve dans la CEI 62680-1-2, Ed.5 : 2021 "Interface de bus série universel pour les données et l'alimentation, partie 1-2 : Composants communs - Spécification de l'alimentation USB" et la CEI 63002, Ed. 2 : 2021 "Spécifications d'interopérabilité et méthode de communication pour les alimentations externes utilisées avec les appareils informatiques et électroniques grand public" Les diodes TVS Transient Voltage Suppressor récemment introduites par TDK sont conçues pour répondre aux exigences d'application ci-dessus. La protection des broches Tx/Rx haute vitesse nécessite spécifiquement des dispositifs ESD soigneusement choisis car ce suppresseur doit fournir une protection robuste contre les surtensions pour les transitoires ESD mais aussi, lors d'un fonctionnement normal, il ne doit pas altérer le signal sur ces lignes. Les débits utilisés pour ce signal vont jusqu'à 20 Gb/s pour USB4 20 Gbps et jusqu'à 40 Gb/s pour USB4 40 Gbps, via deux paires. Cela signifie jusqu'à 10 Gb/s de débit de données pour une ligne et jusqu'à 20 Gb/s de débit de données, respectivement. La fréquence correspondante pour ces débits de données est grossièrement calculée en divisant par deux le débit de données. Ainsi, cette fréquence de Nyquist serait de 10 GHz pour le débit de données de 40 Gbps utilisé avec USB4, ou de 5 GHz pour le débit de données plus lent de 20 Gbps, comme indiqué dans le tableau ci-dessous.

Un composant ESD connecté en parallèle à une ligne de données entraîne inévitablement une certaine perte d'insertion, c'est-à-dire une dégradation de la qualité du signal. Le degré auquel le composant affecte le signal peut être vérifié à l'aide de diagrammes de l'œil pour les signaux correspondants. La meilleure pratique pour s'assurer que le composant ne dégradera pas les signaux consiste à prendre des mesures et à évaluer. Un test doit être effectué en comparant les diagrammes de l'œil des tests de signal enregistrés avec un luminaire avec et sans le composant, en utilisant le circuit normalisé. Deux cartes identiques doivent être préparées, conçues pour fonctionner avec des signaux HF. Comme illustré dans la figure ci-dessous, l'un est rempli avec le composant ESD et l'autre sans le composant.

Les mesures avec le même signal de test doivent ensuite être comparées. Les diodes TDK ULC TVS sont testées à l'aide de signaux USB 3.2, et les mesures sont effectuées par le laboratoire externe accrédité USB, le laboratoire de test numérique Eurofins, qui est certifié pour les tests de signal USB 3.2 et les diagrammes de l'œil, avec le masque de signal respectif fourni ci-dessous :

"Avec appareil" pour TVS0016-WE

"Sans appareil" pour TVS0015-VE

Rapport de test de conformité USB 3.2 Gen.2 complet et certifié disponible sur demande.

Les tests sont effectués sur la base du scénario le plus défavorable, qui est le test du canal long. Le test est effectué avec une prise Standard-B, une longueur de câble de 3 m et des traces de PCB supplémentaires conformément aux spécifications. Un test basé sur la sélection du pire canal pour l'hôte et les appareils avec des produits Micro-B et Type-C est également effectué. Les deux diodes TDK TVS de la famille ULC ont été testées et évaluées comme ci-dessus et ont réussi tous les tests. Si un composant de protection réussit le test avec les signaux USB 3.2, cela implique que ces composants seront un bon choix pour protéger les lignes avec des signaux à haut débit de données, avec beaucoup de marge pour les autres composants nécessaires sur la ligne, mais aussi pour des débits de données inférieurs. . Les diodes TDK ULC TVS sont également testées à l'aide de signaux USB4. La même approche a été adoptée dans ces tests, et les diagrammes de l'œil sont présentés ci-dessous.

Œil récupéré - Retard de 3,133[pS]

Œil récupéré - Retard de 3,133[pS]

Œil récupéré - Retard de -0,392[pS]

Œil récupéré - Retard de -1,762[pS]

Où les points TP2 et TP3 sont tels que spécifiés dans la spécification USB, comme suit

Il y a un connecteur USB-C intégré (simulé avec des paramètres S) et un câble passif (la longueur supposée du câble est de 2 m pour 10 Gbps et de 0,8 m pour des débits de 20 Gbps) entre les points TP2 et TP3 dans la figure ci-dessus [réf : www.usb.org]. Les signaux de test utilisés pour les tests ci-dessus et les mesures du diagramme de l'œil sont des signaux nominaux. En comparant ces deux mesures des cartes avec et sans composants, seules des différences minimes peuvent être observées, par exemple, les valeurs de gigue ont légèrement augmenté. Les résultats des tests montrent que les composants TDK TVS ESD ont une réussite claire avec tous les signaux testés. TDK propose des diodes de protection TVS ESD robustes compatibles avec les signaux USB 3.2 10 G et USB4 20 G et 40 G. Les rapports de test pour les signaux USB 3.2 et USB4 pour les pièces référencées sont disponibles sur demande. Les diodes de protection TDK TVS ESD compatibles avec les signaux USB 3.2 et USB4 40 G sont disponibles en deux tailles avec de petits volumes pour les applications avec des contraintes d'espace. Le SD0201SL-ULC101 de taille 0201 de l'EIA (Electronic Industries Alliance), la définition dans l'emballage "wafer-level chip scale" (WL-CSP) Transient Voltage Suppressors - TVS (SD0201SL-ULC101) et le SD01005SL-ULC101 de taille 01005 selon. EIA dans le boîtier WL-CSP Suppresseur de tension transitoire – TVS (SD01005SL-ULC101) . Les deux diodes consomment très peu d'espace sur le PCB, comme indiqué par la disposition des pastilles, et de plus leur volume est également minime, en raison de leur boîtier mince, avec leur hauteur réduite à 100 µm. Ceci est idéal pour les applications où il n'y a pas beaucoup d'espace disponible. La protection ESD est généralement réalisée en plaçant le composant en parallèle avec le circuit protégé, et il peut être placé n'importe où sur la ligne pour protéger le CI. L'approche recommandée est de les connecter le plus près possible de la source de perturbation en plaçant le suppresseur près du connecteur. De cette manière, les inductances parasites pouvant être générées sont minimisées. Tous les composants montés derrière les composants ESD, vus de la source des transitoires possibles, sont également protégés. De plus, en utilisant un boîtier sans plomb, toutes les inductances parasites des broches sont également exclues. Par conséquent, le dispositif de protection SMD ESD est très favorable pour les applications décrites. Les diodes fonctionnent rapidement et les avantages du petit boîtier SMD WL-CSP pour les dispositifs ESD sont évidents. En regardant le chemin du signal, il existe de nombreuses sources possibles de perte d'insertion, qui peuvent introduire une dégradation du signal. Cela inclut les selfs, les CMC, les condensateurs, les câbles, les fiches et les connecteurs, etc. Chaque partie de la ligne de signal affectera le signal d'une manière ou d'une autre. Le composant ESD est une partie importante de cette fonctionnalité, car il est essentiel de protéger le circuit intégré des surtensions transitoires. En regardant les figures montrant les diagrammes de l'œil pour le pire des cas, la marge peut être observée (marquée par des crochets violets ci-dessous). Cette marge est ce qu'un développeur a à sa disposition pour utiliser les composants qui introduiront une perte d'insertion supplémentaire le long de la ligne, en plus de la perte déjà introduite par le composant ESD. B74111U0033M060_TVS01005SL

Étant donné que l'USB4 et le Thunderbolt 4 suivent les mêmes "spécifications de test de conformité électrique USB4", les résultats du test s'appliquent également aux lignes transportant le signal Thunderbolt.

La protection complète de la solution pour les broches expliquées ci-dessus du connecteur USB Type-C est la suivante.

Broches du connecteur USB Type-C

Les fiches techniques correspondantes peuvent être obtenues en suivant ce lien Transient Voltage Suppressors TVS – Diodes TVS hautes performances pour les applications ICT, grand public et haut débit. En conclusion, les diodes TDK TVS offrent une protection USB ESD de pointe, conçue pour fournir une excellente protection pour les circuits intégrés sensibles et la protection sur mesure des broches du port USB Type-C ainsi que pour d'autres applications. Les diodes TDK TVS occupent un espace minimal en raison de leur taille et de leur hauteur miniatures, en maintenant un faible niveau de tension de serrage lors de la protection, sans perturber le signal des débits de données élevés, par exemple, des protocoles USB et d'autres protocoles à débit de données élevé, tels que testés.

Pour plus d'informations sur la spécification USB 4.0, veuillez consulter www.usb.org. USB4®, USB Type-C® et USB-C® sont des marques déposées de l'USB Implementers Forum (USB-IF). Thunderbolt® est une marque déposée d'Apple Inc..