高速インターフェースを保護するための設計のヒント

「ポートを保護する！通信接続を維持するための設計上のヒント」シリーズの第2回では、高速インターフェイスの保護がどのように見えるかを探ります。 USB、HDMI、DisplayPort、eSATAなど。

幅広いアプリケーションに対応するために、多数の通信回路とプロトコルが存在します。これらの回線は別々のデバイス間でデータを送受信するため、インターフェイスのポートは回線に対する外部の脅威にさらされます。これらの脅威には、雷による電流過負荷と過渡電圧、電気的高速過渡現象（EFT）、および静電放電（ESD）が含まれます。

これらの回線には、これらの外部の脅威によって引き起こされる損傷からの保護が必要ですが、インターフェイスの伝送プロトコルを危険にさらすことはできません。保護スキームが実装されている場合、通信回路は破損していないデータを確実に送信する必要があります。また、元のデータが完全に復元されるように、受信者は情報を正確に検出してデコードする必要があります。

この記事は、通信インターフェースの保護に関するシリーズの第2回です。 power-over-Ethernetインターフェイスのポートを保護するための最初に提示されたソリューション。この記事では、電子機器の設計エンジニアに、送受信のパフォーマンスを低下させたり、製品サイズの制約を妨げたりすることなく、高速インターフェースを保護するための推奨事項を紹介します。

4つの通信プロトコルが考慮されます：

• より高速なフォーマットで進化し続けるユニバーサルシリアルバス（USB）規格
• 高品位マルチメディアインターフェイス（HDMI）、
• DisplayPortインターフェース
• および外部シリアルアドバンストテクノロジーアタッチメント（eSATA）。

これらの標準の目的と現在の最大帯域幅を表1に示します。

表1。 通信プロトコル、機能、および最大データレート

USBインターフェース

USBポートは、パーソナルコンピュータ、コンピュータ周辺機器、電子テストおよび測定機器、およびその他の多数の製品に広く使用されています。 USBインターフェースにより、コンピューター、スマートデバイス、および周辺機器間の簡単で高速な接続が可能になります。これは1996年に最初に標準化され、より高速に進化し、バッテリ駆動デバイスを充電するためのより多くの電力容量を可能にしました。

USB-Implementers Forum（USB-IF）は、4つの主要な改訂を通じて標準をアップグレードしました。有線USB規格は、バージョン1.0から始まり、バージョン2.0、3.xバージョンまで進んでおり、現在はリビジョン4、USB4までです。

表2に、2.0からUSB4までのバージョンを示し、各バージョンの最大スループットが大幅に向上したことを示します。

表2。 USBインターフェースの現在アクティブなバージョンとそれらの最大データ転送速度

さまざまなデータレートにより、USBポートは低速キーボードから高速ビデオデバイスに至るまでのデバイスとインターフェイスできます。設計者は、信号線が1つのタイプのデバイスの特定の機能専用ではない一般化されたインターフェイスを利用できます。また、設計者はUSBインターフェースを設定して、タイムクリティカルな機能のレイテンシを低くしたり、バックグラウンドで動作するデータの大規模な転送を可能にしたりできます。

さらに、この規格では、USBバージョン1〜3の電力供給（PD）リビジョンが定義されています。PDリビジョンでは、USBインターフェイスを介してデバイスを充電および電力供給できます。電力容量が2.5W（5 V @ 0.5A）から100 W（20 V @ 5A）に増加しました。

USBコネクタも進化し、より高いデータレートとより高い電力可用性を実現しています。図1は、各USBバージョンに使用されるさまざまなコネクタのピン構成と相対的なコネクタサイズを示しています。表3は、各コネクタが達成できる最大データレートを示しています。

図1。 さまざまなUSB規格用に設計されたUSBコネクタ

表3。 USBコネクタタイプの最大データレート

USB2.0インターフェースの保護

USB 2.0インターフェースは、図2aに示すように、VBUS電力線と2本のデータ線で構成されています。

図2。 USB2.0およびUSB3.2インターフェースに推奨される保護コンポーネント

AC電源ラインから電力を受け取ることができるVBUSラインは、AC電源ラインで伝播される電流過負荷および過渡電圧の影響を受けます。過負荷から保護するために、リセット可能なヒューズをVBUSラインに取り付けて、過負荷が解決されたときにリセット可能なヒューズがリセットされ、回路が機能し続けることができるようにする必要があります。

ポリマー正温度係数（PPTC）ヒューズは、過負荷電流によって発生する熱によって抵抗が大幅に増加するリセット可能なヒューズです。 PPTCヒューズの内部構造は、過負荷時に変化して抵抗が増加します。デバイスが冷えると、低抵抗構造が復元されます。これらのヒューズは、最大電圧定格が通常24Vである低電圧回路用に設計されています。

PPTCヒューズのその他の機能は次のとおりです。

• ヒューズのトリップ定格を下回る電流が流れている場合の、mΩから約2Ωまでの超低抵抗
• 100mAから9Aまでの幅広い電流定格
• 旅行に時間がかかる
• 0402から2920サイズまでの省スペースの表面実装パッケージ
• ULコンポーネントの認識とTUVの承認。

VBUSラインによって給電される回路を、電力線によって引き起こされる過渡および静電放電（ESD）のストライキから保護するには、一方向過渡電圧抑制装置（TVS）ダイオードアレイを使用します。このタイプのダイオードアレイのバージョンは以下を提供します：

• 電気的に速い過渡現象から最大40A、落雷から最大5Aを安全に吸収する能力
• 空中または直接接触による±30kVのESDストライキに耐える能力
• 5V回路で最大0.5µAの低リーク電流
• スペース効率の高い0201表面実装パッケージ

データの伝送を損なう可能性のある過渡電圧からデータラインを保護してください。データ回線保護用の4チャネルTVSダイオードアレイを検討してください。

図3に示すようなダイオードアレイには、次の機能があります。

• 空中または直接接触による+ 22kV ESDストライク、および空気または直接接触による– 10 kVESDストライクの安全な吸収
• グランドへのピンあたり0.3pFの静電容量でデータラインへの影響を最小限に抑えます。
• 回路への負荷を最小限に抑えるための10nAの低リーク電流。

したがって、USB2.0ポートを完全に保護するために必要なコンポーネントは3つだけです。

図3。 過渡電圧保護用のツェナーダイオードを備えた4チャネルTVSダイオードアレイ

USB3.2インターフェースの保護

上記の図2bに示すように、USB 3.2インターフェースは、VBUSラインと6本のデータおよび制御ラインで構成されています。 USB 2.0インターフェースで説明したように、VBUSラインを過電流および過電圧イベントから保護するために推奨されるものと同じコンポーネントを使用してください。 6つのデータラインを過渡電圧から保護するために、各ポートに個別のTVSダイオードアレイを検討してください。

個々のTVSダイオードアレイは次の機能を持つことができます：

• 電気的に速い過渡電流から最大40Aのピーク電流を安全に吸収
• 空気中で±18kV、直接接触から±12kVまでのESD保護
• 最大値20nAの低リーク電流
• シグナルインテグリティを損なうことのない0.09pFピンピンの低静電容量

個々のTVSダイオードを使用すると、データ伝送容量への影響を最小限に抑えるために、容量の小さいコンポーネントで高速USBポートの保護が強化されます。

PowerDeliveryリビジョンによる高速USB3.2およびUSB4.0インターフェースの保護

USB 3.2 Gen 2x1以降のバージョンでは、Type-Cコネクタを使用する必要があります。図1からわかるように、Type-Cコネクタは高密度コネクタです。その結果、Type-Cコネクタは、コネクタに入る可能性のあるほこりや汚れのために、接点間の抵抗性短絡の影響を受けやすくなります。

電源ピンが最大100Wの場合、コネクタおよび関連する回路が損傷する可能性が常にあります。図4に示すように、構成チャネル（CC）ラインのデジタル温度インジケーターを使用して、抵抗障害に関連する熱からUSBType-Cコネクタを保護します。

図4。 USB3.2およびUSB4.0Type-Cインターフェースに推奨される保護コンポーネント

CCラインのデジタル温度インジケーターにより、5Wなどの最低レベルからUSB-Cの最大機能である100Wまで、あらゆる電力状態で正確な保護を提供できます。この熱保護機能の実装の詳細については、USBType-C規格を参照してください。

過渡現象から保護するために、さまざまなバージョンのTVSダイオードアレイの使用を検討してください。静電容量が最も小さいSuperSpeedライン用のTVSダイオードアレイを選択します。特にVBUSラインでは、リーク電流の少ないTVSダイオードアレイを選択することにより、消費電力を低く抑えます。

製品が自動車産業で使用される場合は、AEC-Q101認定コンポーネントであるTVSダイオードアレイを選択してください（ディスクリート半導体のAutomotive Electronics Council故障メカニズムベースのストレステスト認定）。

HDMI、DisplayPort、およびeSATAインターフェイスの保護

High Definition Multimedia Interface（HDMI）、DisplayPort、およびeSATAインターフェイスポートにも同様の保護スキームが推奨されるため、これら3つのインターフェイスは一緒に考慮されます。 HDMIは、ディスプレイコントローラーからの高解像度ビデオとデジタルオーディオをビデオディスプレイデバイスまたはオーディオデバイスに結合します。 HDMIは、事実上の高解像度テレビ規格として知られています。 HDMIインターフェースは2004年から製品に組み込まれています。現在、バージョン2.1であり、最大48Gbpsのレートでデータを送信できます。

DisplayPortインターフェイスは、ビデオソースからPCモニターなどのディスプレイデバイスにビデオデータを送信するように設計されています。オーディオとビデオを同時に送信できるこのインターフェイスは、VGA標準に代わるものです。 DisplayPortは2006年に最初に導入されました。77Gbpsのターゲットデータレートを備えたバージョン2.0は、今年後半に完成する予定です。このインターフェースはHDMIインターフェースと互換性があります。 Video Electronics StandardsAssociationはDisplayPort標準を維持しています。

もともとIBMがIBMATPC用に並列フォーマットで開発したSerialAdvanced Technology Attachment（SATA）インターフェースは、インターフェースを定義します。これは現在、ディスクドライブの業界標準インターフェースです。外部SATA（eSATA）標準は、外部ハードドライブ接続用の堅牢な接続を作成するために2004年に進化しました。

図5に示すこれらの3つのインターフェースを損傷する過渡現象から保護するには、単一のコンポーネントタイプである4ラインTVSダイオードアレイが必要になる場合があります。

図5。 HDMI、DisplayPort、eSATAインターフェースの推奨保護

図6は、4ラインTVSダイオードアレイの構成を示しています。

図6。 4本の高速データラインの過渡電圧を抑制するためのTVSダイオードアレイ

4ラインアレイなどのTVSダイオードアレイは以下を提供します：

• 0.2 pFの超低静電容量。これは、トランスミッションのアイダイアグラムにほとんど影響を与えません。
• 消費電力を最小限に抑えるための25nAのリーク電流
• 空気または直接接触感染による最大±20kVのESD保護
• プリント基板のスペースを節約し、トレースレイアウトの複雑さを軽減するためのSOD883パッケージ。

ポートを保護すると、製品の堅牢性と信頼性が向上します

伝送インターフェースの保護には、伝送信号を損なうことなく回路を保護するコンポーネントの選択が含まれます。幸い、多くのコンポーネントは必要ありません。ただし、考慮すべきコンポーネントは多岐にわたります。

保護コンポーネントを設計および選択する際には、メーカーの専門知識を活用して、貴重な開発時間を節約してください。製造業者は、費用効果の高いソリューションに関するアドバイスを提供できます。電流過負荷や過渡電圧から設計を保護することで、堅牢で信頼性の高い設計が実現し、市場での製品の評判を高め、保証期間内のサービスコストを削減します。

追加の参照

詳細については、Littelfuse、Inc。の厚意により、次のガイドをダウンロードしてください。

• 回路保護製品選択ガイド
• LittelfusesetP™設計およびインストールガイド
• ESD保護設計ガイド

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