Proteggere l’interfaccia Usb dalle scariche elettrostatiche

01_Schaltplan_USB_TVS

Anche nelle linee guida di Intel “High Speed Usb Platform Design Guidelines” si esprimono dubbi riguardo alla vulnerabilità delle porte Usb. Intel raccomanda l'impiego di induttori a compensazione di corrente per limitare le interferenze Cem e di altre componenti per la protezione da scariche elettrostatiche. I sistemi elettronici sono esposti a scariche elettrostatiche. Gli impulsi delle scariche elettrostatiche hanno delle tensioni fino a 30 kV e sono pertanto pericolosi per tutti i tipi di circuiti elettrici integrati. Alcuni degli attuali circuiti integrati sono sicuri contro le Esd, tuttavia tale sicurezza viene garantita solamente per una bassa percentuale di tutti i potenziali pericoli. La prassi quotidiana mostra che è indispensabile una protezione supplementare. Solamente con una protezione esterna si ha una piattaforma completamente senza Esd ed è possibile sviluppare prodotti ad alta affidabilità. È altrettanto fondamentale prendere misure specifiche per la eliminare le interferenze. In tutti i settori della vita vengono impiegati ormai dispositivi elettronici wireless e il loro numero è sempre più in crescita. È importante garantire l'immunità dei propri prodotti contro i campi elettromagnetici d'interferenza. Solo chi si occupa fin dal principio delle interferenze è in grado di integrare nella progettazione di nuovi modelli le componenti necessarie di soppressione e di ridurre i tempi di messa a punto. Anche la trasmissione di interferenze dei propri prodotti non deve superare un certo livello che viene controllato con elevata precisione dai laboratori di omologazione Cem. Se il prodotto non passa questo test i costi per rielaborare lo stesso superano di gran lunga quelli per i soppressori di interferenze.


Effettivamente immune da interferenze
Quando le interferenze hanno impatto sugli Usb la trasmissione dati in modo differenziale garantisce un maggior vantaggio rispetto ai cavi coassiali. In caso di interferenza induttiva (campo elettromagnetico) con la torsione invertita dei fili si ottiene una compensazione dell'effetto dell'interferenza. Con la simmetrizzazione delle induttività parziali dei rispettivi fili invertiti le interferenze si compensano una con l'altra. Nella pratica tuttavia tale immunità da interferenze può essere compromessa:

- le entrate e le uscite dei controller Usb non sono abbastanza simmetriche, il segnale Usb indica interferenze asimmetriche;
- lo schema non è compatibile Cem in alta frequenza, delle capacità parassite e la mancanza di adattamento a resistenze d'onda generano interferenze asimmetriche;
- il disegno del circuito (filtro-Usb) è inadatto, i filtri interferiscono sulla qualità di segnale e/o la caduta della potenza di banda è troppo bassa;
- la progettazione delle interfacce (connettore, alloggiamento) è carente. La massa sfavorevole riduce l'attenuazione di schermatura del cavo. I filtri hanno un basso riferimento di massa;
- il cavo Usb è asimmetrico, ha scarsa schermatura e un collegamento di massa inadeguato. Il cavo peggiora la qualità di segnale, emette corrente armonica di segnale e non ha sufficiente attenuazione di schermatura da fonti di disturbo esterne.

Il problema è che alcuni di questi aspetti non sono gestibili; ad esempio la creazione tecnica di un controller Usb acquistato da fonti esterne o l'impiego di cavi Usb economici da parte dell'utenza finale. Devono pertanto essere prese delle misure preventive per proteggere l'interfaccia dall'influenza delle interferenze esterne che possono portare alla distruzione dei controller Usb e per poter limitare le interferenze di segnali via cavo.

Selezionare i componenti di protezione
La protezione da scariche elettrostatiche viene definita come: immunità alle scariche elettrostatiche, conforme alla norma En61000-4-2, immunità ai transitori ad alta energia, conforme alla norma En61000-4-5 e immunità ai transitori di tensione, conforme alla norma En61000-4-4. I diodi di soppressione delle tensioni transitorie devono soddisfare i requisiti previsti da tali norme. L'importante è che: Per avere una protezione da sovratensione sulle trasmissioni veloci di dati come l'Usb si dovrebbero scegliere Tvs e soppressori Esd in ceramica a bassa capacità, in modo tale da non interferire sul segnale Usb. Ecco perché la Würth Elektronik eiSos ha messo a punto componenti ottimizzate a tale fine e invisibili sul cavo dati. I diodi Tvs con capacità inferiore a 1 pF e i soppressori Esd in ceramica con capacità fino a 0,2 pF rappresentano una buona scelta per la schermatura delle interfacce Usb. Per la scelta delle componenti occorre porsi alcune domande: C'è una tensione di alimentazione per le connessioni "rail to rail" (Gnd < segnale d'entrata/uscita < Vcc)? Occorre scegliere un diodo Tvs. Non c'è tensione di alimentazione o si devono preferire componenti in ceramica? In questo caso occorre scegliere un diodo Tvs in cui il pin Vcc possa galleggiare oppure impiegare soppressori Esd come la serie WE-VE "ULC" della Würth Elektronik. Ulteriori domande: Che tensione Esd massima è prevista? Devono essere protette una o due interfacce Usb? Se viene collegato un cavo dati a due pin (entrata/uscita) del diodo Tvs, questo assicura sempre una protezione maggiore; per questo si dovrebbe sempre preferire una serie di diodi Tvs.

Non dimenticare la tensione di alimentazione
Per un modello totalmente conforme alle norme Cem è importante poter filtrare anche l'alimentazione di tensione (VBUS). Molti progettisti trascurano questo punto essenziale e si stupiscono che il loro prodotto non passi la prova di laboratorio Cem. Mostriamo qui due modelli ottimizzati per una o due interfacce Usb. Con un diodo Tvs possono essere protetti due cavi Usb. Tutte e quattro le linee di segnale e l'alimentazione di tensione comune sono ben protette da scariche elettrostatiche. Per ottimizzare ulteriormente viene montato un filtro LC con un induttore a compensazione di corrente per cavi dati e con condensatori, al fine di filtrare interferenze elettromagnetiche condotte nelle modalità differenziale e comune in entrata. Per assicurare una perfetta soppressione delle interferenze sull'alimentazione di tensione occorre una ferrite Smd della serie WE-CBF. Le componenti di protezione a un canale, come la serie di soppressori Esd WE-VE, devono essere sempre collegate dalla linea di segnale alla massa. Per schermare l'alimentazione di tensione occorre non impiegare soppressori Esd a bassa capacità; è sufficiente un normale varistore Smd in grado di assorbire maggiori energie o più elevati picchi di corrente: dovrebbe essere la prima scelta durante la progettazione.

Un modello consigliato per porte Usb
Le due linee di segnale di differenza (D+ e D-) vengono trasmesse dal connettore al diodo Tvs e poi dall'induttore a compensazione di corrente per cavi dati al controller Usb. Ne risulta un'elevata protezione Esd e una buona soppressione delle interferenze dalla coppia di cavi dati. Il VBUS viene passato dal diodo Tvs al ferrite Smd. Dopo il ferrite Smd può essere impiegato un ulteriore condensatore e un altro ferrite Smd per ottenere la massima attenuazione di un filtro PI. Per circuiti integrati ad alta sensibilità e/o sviluppi ad alta affidabilità si può raggiungere l'ottimizzazione dell'immunità contro le scariche elettrostatiche eseguendo un contatto doppio dei pin del diodo Tvs. I progettisti che preferiscono elementi di protezione a un canale possono impiegare la serie di soppressori Esd WE-VE, che devono essere sempre connessi da D+/D- a Gnd. Le altre componenti vengono connesse come qui indicato.

Evitare i rischi
Nel campo della progettazione conforme alle norme di Cem sarebbe necessario evitare ogni rischio. Proprio nella trasmissione dati via Usb si dovrebbe escludere di mettere a repentaglio l'integrità del traffico dati. La compatibilità elettromagnetica non è un aspetto di poca considerazione o che serve solo a soddisfare le regole e le norme, bensì è un segno di qualità. Per poter escludere già nella progettazione problemi in fatto di Cem, le condizioni specifiche per le linee dati veloci comprendono elementi concordati che riducono i costi di ricerca e sviluppo e soprattutto fanno evitare di dover rielaborare il prodotto in seguito a risultati critici dei test di controllo Cem.

Pubblica i tuoi commenti