고속 인터페이스 보호를 위한 설계 팁

"포트를 보호하십시오! 통신 연결을 유지하기 위한 최고의 디자인 팁" 시리즈의 두 번째 기사에서는 고속 인터페이스를 보호하는 것이 어떤 모습인지 살펴봅니다. USB, HDMI, DisplayPort 및 eSATA를 포함합니다.

광범위한 애플리케이션에 서비스를 제공하기 위해 수많은 통신 회로 및 프로토콜이 존재합니다. 이러한 회로는 별도의 장치 간에 데이터를 송수신하기 때문에 인터페이스의 포트는 회로에 대한 외부 위협에 노출됩니다. 이러한 위협에는 번개로 인한 전류 과부하 및 과도 전압, EFT(Electrically Fast Transient) 및 ESD(Electrostatic discharge)가 포함됩니다.

이러한 회로는 이러한 외부 위협으로 인한 손상으로부터 보호해야 하지만 인터페이스의 전송 프로토콜은 손상될 수 없습니다. 보호 체계가 구현되면 통신 회로는 손상되지 않은 데이터를 안정적으로 전송해야 합니다. 그리고 수신기는 원본 데이터가 완전히 복구되도록 정보를 정확하게 감지하고 디코딩해야 합니다.

이 기사는 통신 인터페이스 보호에 관한 시리즈의 두 번째 기사입니다. PoE(Power-over-Ethernet) 인터페이스의 포트를 보호하기 위한 첫 번째 솔루션이 제시되었습니다. 이 기사에서는 전자 설계 엔지니어에게 전송/수신 성능을 손상시키거나 제품 크기 제약을 방해하지 않으면서 고속 인터페이스를 보호하기 위한 권장 사항을 제시합니다.

4가지 통신 프로토콜이 고려됩니다.

<울>

고속 형식으로 계속 진화하는 USB(범용 직렬 버스) 표준,

고화질 멀티미디어 인터페이스(HDMI),

DisplayPort 인터페이스,

및 eSATA(External Serial Advanced Technology Attachment)

이러한 표준의 목적과 현재 최대 대역폭은 표 1에 설명되어 있습니다.

표 1. 통신 프로토콜, 기능 및 최대 데이터 속도

USB 인터페이스

USB 포트는 개인용 컴퓨터, 컴퓨터 주변 장치, 전자 테스트 및 측정 기기 및 기타 수많은 제품에 어디에나 있습니다. USB 인터페이스를 통해 컴퓨터, 스마트 장치 및 주변 장치를 쉽고 빠르게 연결할 수 있습니다. 1996년에 처음으로 표준화되었으며 배터리로 작동되는 장치를 충전하기 위해 더 빠른 속도로 발전하고 더 많은 전력을 전달할 수 있습니다.

USB-IF(USB-Implementers Forum)는 네 가지 주요 개정판을 통해 표준을 업그레이드했습니다. 유선 USB 표준은 버전 1.0에서 시작하여 버전 2.0, 3.x 버전을 거쳐 현재 버전 4, USB4까지입니다.

표 2는 2.0부터 USB4까지의 버전을 나열하고 각 버전의 최대 처리량이 어떻게 크게 증가했는지 보여줍니다.

표 2. USB 인터페이스의 현재 활성 버전 및 최대 데이터 전송 속도

다양한 데이터 속도를 통해 USB 포트는 느린 키보드에서 고속 비디오 장치에 이르는 장치와 인터페이스할 수 있습니다. 설계자는 신호 라인이 한 유형의 장치의 특정 기능 전용이 아닌 일반화된 인터페이스를 활용할 수 있습니다. 또한 설계자는 USB 인터페이스를 설정하여 시간이 중요한 기능을 위한 대기 시간이 짧거나 백그라운드에서 작동하는 대용량 데이터 전송이 가능하도록 설정할 수 있습니다.

또한 이 표준은 USB 버전 1~3에 대한 PD(Power Delivery) 개정판을 정의합니다. PD 개정판을 사용하면 USB 인터페이스를 통해 장치를 충전하고 전원을 공급할 수 있습니다. 전력 용량이 2.5W(5V @0.5A)에서 100W(20V @ 5A)로 증가했습니다.

USB 커넥터는 또한 더 높은 데이터 속도와 더 큰 전력 가용성을 가능하게 하도록 발전했습니다. 그림 1은 각 USB 버전에 사용되는 다양한 커넥터의 핀 구성과 상대적인 커넥터 크기를 보여줍니다. 표 3은 각 커넥터가 달성할 수 있는 최대 데이터 속도를 보여줍니다.

그림 1. 다양한 USB 표준에 맞게 설계된 USB 커넥터

표 3. USB 커넥터 유형의 최대 데이터 속도

USB 2.0 인터페이스 보호

USB 2.0 인터페이스는 그림 2a와 같이 VBUS 전원 라인과 2개의 데이터 라인으로 구성됩니다.

그림 2. USB 2.0 및 USB 3.2 인터페이스용 권장 보호 구성요소

AC 전력선에서 전력을 공급받을 수 있는 VBUS 라인은 AC 전력선에 전파되는 전류 과부하 및 과도 전압의 영향을 받습니다. 과부하가 해결되면 재설정 가능한 퓨즈가 재설정되고 회로가 계속 작동할 수 있도록 과부하로부터 보호하기 위해 VBUS 라인에 재설정 가능한 퓨즈를 설치해야 합니다.

PPTC(Polymer Positive Temperature Coefficient) 퓨즈는 과부하 전류로 인해 발생하는 열로 인해 저항이 크게 증가하는 재설정 가능한 퓨즈입니다. PPTC 퓨즈의 내부 구조는 과부하 시 변화하여 저항을 증가시킵니다. 장치가 냉각되면 낮은 저항 구조가 복원됩니다. 이 퓨즈는 최대 정격 전압이 일반적으로 24V인 저전압 회로용으로 설계되었습니다.

PPTC 퓨즈의 다른 기능은 다음과 같습니다.

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퓨즈의 트립 정격 미만의 전류가 흐를 때 mΩ에서 약 2Ω에 이르는 초저 저항

100mA ~ 9A의 광범위한 정격 전류

빠른 여행 시간

0402에서 최대 2920 크기의 공간 절약형 표면 실장 포장

UL 부품 인식 및 TUV 승인

전력선 유도 과도 현상 및 ESD(정전기 방전) 충격으로부터 VBUS 라인에 의해 공급되는 회로를 보호하려면 단방향 TVS(과도 전압 억제기) 다이오드 어레이를 사용합니다. 이 유형의 다이오드 어레이 버전은 다음을 제공합니다.

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전기적으로 빠른 과도 전류에서 최대 40A, 낙뢰에서 최대 5A를 안전하게 흡수할 수 있는 용량

공중 또는 직접 접촉을 통해 ±30kV ESD 충격을 견딜 수 있는 능력

5V 회로에서 최대 0.5µA의 낮은 누설 전류

공간 효율적인 0201 표면 실장 패키지

데이터 전송을 손상시킬 수 있는 과도 전압으로부터 데이터 라인을 보호해야 합니다. 데이터 라인 보호를 위해 4채널 TVS 다이오드 어레이를 고려하십시오.

그림 3에 표시된 것과 같은 다이오드 어레이에는 다음과 같은 기능이 있습니다.

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공기를 통한 +22kV ESD 또는 직접 접촉 충격 및 공기 또는 직접 접촉을 통한 10kV ESD 충격의 안전한 흡수

접지 핀당 정전 용량이 0.3pF이므로 데이터 라인에 미치는 영향을 최소화합니다.

회로에 대한 최소 부하를 위한 10nA의 낮은 누설 전류.

따라서 USB 2.0 포트를 완전히 보호하려면 세 가지 구성 요소만 있으면 됩니다.

그림 3. 과도 전압 보호를 위한 제너 다이오드가 있는 4채널 TVS 다이오드 어레이

USB 3.2 인터페이스 보호

위의 그림 2b에서 볼 수 있듯이 USB 3.2 인터페이스는 VBUS 라인과 6개의 데이터 및 제어 라인으로 구성됩니다. 과전류 및 과전압 이벤트로부터 USB 2.0 인터페이스에 대해 논의된 대로 VBUS 라인을 보호하기 위해 권장되는 동일한 구성요소를 사용하십시오. 6개의 데이터 라인을 과도 전압으로부터 보호하려면 각 포트에 개별 TVS 다이오드 어레이를 고려하십시오.

개별 TVS 다이오드 어레이에는 다음과 같은 기능이 있습니다.

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전기적으로 빠른 과도 전류에서 최대 40A의 피크 전류를 안전하게 흡수

공기 중 ±18kV 및 직접 접촉 시 ±12kV의 ESD 보호

최대값 20nA의 낮은 누설 전류

신호 무결성을 손상시키지 않는 0.09pF 핀 핀의 낮은 커패시턴스

개별 TVS 다이오드를 사용하면 데이터 전송 용량에 대한 영향을 최소화하기 위해 더 낮은 커패시턴스 구성요소로 고속 USB 포트를 더 잘 보호할 수 있습니다.

Power Delivery 개정판으로 고속 USB 3.2 및 USB 4.0 인터페이스 보호

USB 3.2 Gen 2x1 이상 버전은 Type-C 커넥터를 사용해야 합니다. 그림 1에서 알 수 있듯이 Type-C 커넥터는 고밀도 커넥터입니다. 결과적으로 Type-C 커넥터는 커넥터에 들어갈 수 있는 먼지와 먼지로 인해 접점 사이의 저항성 단락에 취약할 수 있습니다.

전원 핀에 최대 100W가 사용되면 커넥터 및 관련 회로가 손상될 가능성이 항상 존재합니다. 그림 4와 같이 구성 채널(CC) 라인의 디지털 온도 표시기를 사용하여 저항 오류와 관련된 열로부터 USB Type-C 커넥터를 보호합니다.

그림 4. USB 3.2 및 USB 4.0 Type-C 인터페이스용 권장 보호 구성요소

CC 라인의 디지털 온도 표시기는 5W와 같은 최저 수준에서 USB-C의 최대 용량인 100W에 이르기까지 모든 전력 조건에서 정확한 보호를 제공할 수 있습니다. 이 열 보호 기능 구현에 대한 자세한 내용은 USB Type-C 표준을 참조하세요.

과도 현상으로부터 보호하려면 다른 버전의 TVS 다이오드 어레이를 사용하는 것이 좋습니다. 정전용량이 가장 낮은 SuperSpeed ​​라인에 대해 TVS 다이오드 어레이를 선택합니다. 특히 VBUS 라인의 경우 누설 전류가 낮은 TVS 다이오드 어레이를 선택하여 전력 소비를 낮게 유지하십시오.

제품이 자동차 산업에 사용되는 경우 AEC-Q101 인증 구성 요소인 TVS 다이오드 어레이를 선택하십시오(Automotive Electronics Council Failure Mechanism Based Stress Test Qualification for Discrete Semiconductors).

HDMI, DisplayPort 및 eSATA 인터페이스 보호

HDMI(High Definition Multimedia Interface), DisplayPort 및 eSATA 인터페이스 포트에 대해 유사한 보호 체계가 권장되므로 이 세 가지 인터페이스를 함께 고려합니다. HDMI는 고화질 비디오와 디지털 오디오를 디스플레이 컨트롤러에서 비디오 디스플레이 장치 또는 오디오 장치로 결합합니다. HDMI는 사실상의 고화질 텔레비전 표준으로 알려져 있습니다. HDMI 인터페이스는 2004년부터 제품에 통합되었습니다. 현재 버전 2.1이며 최대 48Gbps의 속도로 데이터를 전송할 수 있습니다.

DisplayPort 인터페이스는 비디오 소스에서 PC 모니터와 같은 디스플레이 장치로 비디오 데이터를 전송하도록 설계되었습니다. 오디오와 비디오를 동시에 전송할 수 있는 이 인터페이스는 VGA 표준을 대체합니다. DisplayPort는 2006년에 처음 도입되었습니다. 목표 데이터 속도가 77Gbps인 버전 2.0은 올해 말에 완료될 예정입니다. 이 인터페이스는 HDMI 인터페이스와 호환됩니다. Video Electronics Standards Association은 DisplayPort 표준을 유지합니다.

원래 IBM AT PC용 병렬 형식으로 개발된 SATA(Serial Advanced Technology Attachment) 인터페이스는 현재 디스크 드라이브용 업계 표준 인터페이스인 인터페이스를 정의합니다. 외부 SATA(eSATA) 표준은 외부 하드 드라이브 연결을 위한 강력한 연결을 만들기 위해 2004년에 발전했습니다.

그림 5에 표시된 이러한 세 가지 인터페이스를 손상되는 과도 전류로부터 보호하려면 단일 구성 요소 유형인 4라인 TVS 다이오드 어레이가 필요할 수 있습니다.

그림 5. HDMI, DisplayPort 및 eSATA 인터페이스에 대한 권장 보호

그림 6은 4라인 TVS 다이오드 어레이의 구성을 보여줍니다.

그림 6. 4개의 고속 데이터 라인에서 과도 전압을 억제하기 위한 TVS 다이오드 어레이

4라인 어레이와 같은 TVS 다이오드 어레이는 다음을 제공합니다.

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전송 아이 다이어그램에 미미한 영향을 미치는 0.2pF의 초저 정전용량

최소 전력 소비를 위한 25nA 누설 전류

공기 또는 직접 접촉 전송을 통해 최대 ±20kV의 ESD 보호

PC 보드 공간을 절약하고 트레이스 레이아웃 복잡성을 줄이기 위한 SOD 883 패키징

항만 보호로 제품의 견고성과 신뢰성 향상

전송 인터페이스를 보호하려면 전송 신호를 손상시키지 않으면서 회로를 보호하는 구성 요소를 선택해야 합니다. 다행히 많은 구성 요소가 필요하지 않습니다. 그러나 고려해야 할 구성 요소가 광범위합니다.

귀중한 개발 시간을 절약하기 위해 보호 구성 요소를 설계하고 선택할 때 제조업체의 전문 지식을 활용하십시오. 제조업체는 비용 효율적인 솔루션에 대한 조언을 제공할 수 있습니다. 현재 과부하 및 과도 전압으로부터 설계를 보호하면 시장에서 제품의 명성을 높이고 보증 내 서비스 비용을 줄이는 견고하고 안정적인 설계가 가능해집니다.

추가 참조

자세히 알아보려면 Littelfuse, Inc.에서 제공한 다음 가이드를 다운로드하십시오.

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회로 보호 제품 선택 가이드

Littelfuse setP™ 설계 및 설치 가이드

ESD 보호 설계 가이드

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