Im Jahr 2013 stellte das USB Implementers Forum zwei neue Schnittstellen vor: USB 3.1 und USB Typ C. Zusammen bieten sie gegenüber früheren USB-Schnittstellen viele Vorteile. Doch um diese Vorteile nutzen zu können, ist sorgfältige Planung erforderlich.
Produkte mit USB 3.1 Typ C müssen besonders sorgfältig vor elektrostatischen Entladungen auf den verschiedenen Hochgeschwindigkeits- und Hochleistungsleitungen geschützt werden, die in diesen neuen Schnittstellen eingebaut sind. Gleichzeitig muss das Design sicherstellen, dass keine Bandbreite geopfert wird. Die Produktlinie Silicon Enhanced ESD Diode Array (SESD) von Littelfuse bietet eine Palette von Lösungen, die speziell auf die Anforderungen dieser seriellen Hochgeschwindigkeitsschnittstelle abgestimmt sind. Die SESD-Produktlinie bietet maximalen Schutz bei minimalen zusätzlichen Systemkosten, minimaler Komplexität und Dämpfung.
Die Schnittstelle USB 3.1 ermöglicht Datenübertragungen bis zu 10 Gigabit pro Sekunde. Die Spezifikation Power Delivery 2.0 sieht die Leistungsübertragung bis zu 100 Watt vor. Diese Geschwindigkeiten eignen sich für High-End-SSDs, RAID-Arrays und sogar hochauflösende Video-Displays. Die hohe Leistungsfähigkeit bedeutet, dass USB 3.1 für die Stromversorgung der meisten Handys, Laptops und anderer Peripheriegeräte ausreicht. Um Verbindungen bequemer herstellen zu können, gibt es beim Typ C keine mechanische Richtungsabhängigkeit von Stecker und Buchse mehr. Doch wie bei früheren USB-Schnittstellen unterstützt der Typ C eine Vielzahl von Kabellängen. USB 3.1 und USB Typ C können unabhängig voneinander verwendet werden. Für den Endanwender ergibt sich jedoch der größte Nutzen bei Geräten, die die Eigenschaften beider Schnittstellen in einem einzigen Port vereinen. Diese Konstellation von hoher Geschwindigkeit und hoher Leistung in Verbindung mit allgegenwärtiger Verkabelungsmöglichkeit klingt für Technik-Fans wie die Erfüllung eines Traums. Andererseits bedeutet dies, dass Entwickler besondere Sorgfalt auf die Implementierung verwenden müssen.
Das Hauptmerkmal von USB 3.1 ist die hohe Datenübertragungsrate. Mit Übertragungsgeschwindigkeiten bis zu 10 Gbit/s zieht USB 3.1 mit Thunderbolt-Controllern der ersten Generation gleich. In Technologiedemonstrationen hat USB 3.1 bereits bewiesen, dass Hochgeschwindigkeitsdatenübertragungen an SSDs möglich sind.
Um zu verstehen, wie diese hohe Geschwindigkeit erreicht wird, ist es sinnvoll, sich die Pinbelegung von USB Typ C anzusehen. In Abbildung 1 von außen nach innen sind die ersten Pins an den Außenkanten des Steckers vier Massepins. Neben den Massepins liegen vier verdrillte Differenzialpaare, von denen jeweils zwei zum Senden und Empfangen vorgesehen sind. Diese Differenzialpaare bilden den primären Hochgeschwindigkeitsbus. Jede dieser Spuren bewältigt 5 Gbit/s, jedoch ist immer nur ein Satz der Sende- und Empfangspaare aktiv, sodass sich eine maximale Bandbreite von 10 Gbit/s ergibt.
Allerdings sind es nicht nur die Kabel und Stecker, die diese Hochgeschwindigkeitsschnittstelle unterstützen müssen. Die Daten durchqueren ein ganzes Netzwerk von Platinen, gelangen zu einem Stecker, dann auf das Kabel zu einem weiteren Stecker und wieder zu einer Platine. Diese Hochgeschwindigkeitsdatenleitungen sind sehr anfällig für ESE-Ereignisse, insbesondere auf den deaktivierten Sende- und Empfangspaaren. Zwar bestimmt die Summe der parasitären Störungen des Komplettsystems die maximal mögliche Bandbreite, die gesendet und empfangen werden kann, der wichtigste Faktor bleibt jedoch die Kapazität. Die SESD-Lösungen von Littelfuse bieten ESE-Schutz mit extrem niedriger Kapazität in uni- oder bidirektionalen Konfigurationen. Dies bedeutet Flexibilität beim Design, ohne Abstriche beim ESE-Schutz und der Signalintegrität machen zu müssen.
Die USB 3.1-Spezifikation verlangt, dass der Bitstrom aus Nullen und Einsen besteht, und zwar ohne Nulldurchgang. Deshalb ist der unidirektionale Schutz die bevorzugte Lösung. Bidirektionaler Schutz besitzt eine geringere Kapazität und stellt somit eine potenziell höhere Bandbreitenoption dar. Es ist jedoch wichtig zu beachten, dass der bidirektionale Schutz die deaktivierten Hochgeschwindigkeitsbahnen einer Bedrohung durch mögliche Überspannungen aussetzen kann. Littelfuse bietet ein einfach zu handhabendes unidirektionales SESD-Array an (Teilenummer RF3077-000). Im Gehäuse befinden sich vier Kanäle. Diese Lösung zielt auf bestmöglichen Schutz der Hochgeschwindigkeitsbahnen von USB 3.1. Die zusätzliche Kapazität für das Gesamtsystem beträgt dabei nur 0,2 pF. Eine weitere Möglichkeit sind unidirektionale Einkanallösungen, wahlweise nach Industriestandard 0201 oder 0402 zur Oberflächenmontage. Für Kunden, die die Flexibilität bei der Leiterbahnführung schätzen, bietet Littelfuse bidirektionalen ESE-Schutz in den diskreten Formaten SOD-882 und 0201 DFN.
Die nächsten Pins weiter nach innen am Stecker sind die vier Vbus-Pins zur Busstromversorgung. USB 3.1 erfüllt die Spezifikation USB Power Delivery 2.0 und unterstützt fünf Leistungsprofile. Das Leistungsfähigste davon, Profil Nummer 5, sieht 20 V bei 5 A (100 W) über eine einzige Leitung vor. Diese hohe Leistungsfähigkeit ist ein attraktiver Vorteil für den Endanwender. Mit USB 3.1 Typ C lassen sich mehr und größere Geräte schneller aufladen. Diese Stromversorgungspins bringen eine ganz eigene ESE-Problematik mit sich. Dazu gehört beispielsweise die kurze Stoßbelastung beim Laden eines leeren Akkus. Diese zeigt sich in Form von Spannungs- und Stromspitzen. Die Überspannung kann bis zu 50 % über der Nennspannung liegen. Littelfuse bietet das SPHV24-01ETG im Industriestandard-Gehäuse 0402 an. Das SP24-01WTG-HV wird im Standardgehäuse 0201 geliefert. Beide Chips sind für den ESE-Schutz bei Verwendung des USB-Leistungsprofils 5 vorgesehen (100 W Ausgangsleistung). Außerdem wird eine vollständige Linie von Chips für den ESE-Schutz in Vbus-Anwendungen angeboten, die mit Profilen geringerer Leistung arbeiten.
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Weiter innen folgen auf die Vbus-Leitungen die Leitungen Configuration Channel (CC1 und CC2) und Sideband Use (SBU1 und SBU2). Diese Leitungen bilden einen Bus mit niedrigerer Geschwindigkeit, sodass USB 3.1 Typ C mit alternativen Protokollen wie Thunderbolt oder Display Port genutzt werden kann. Die USB-Typ-C-Spezifikation sieht vor, dass die Steckerausrichtung von einem Pull-Down-Widerstand auf einer der beiden Konfigurationskanalleitungen bestimmt wird. Die Leitungen CC1 und CC2 ermöglichen außerdem die Kommunikation bei niedrigeren Geschwindigkeiten, beispielsweise zum Austausch von Vendor Defined Messages (VDM) zwischen Host und Client. Obwohl die Übertragung über den Konfigurationskanal mit niedriger Bandbreite erfolgt, sind diese Pins immer noch potenziellen ESE Gefahren ausgesetzt. Die Seitenbandkanäle werden auch bei geringerer Bandbreite verwendet, etwa beim Kenndatenaustausch für den Display-Port zwischen Host und Client. Da die Pins für Konfigurationskanal und Seitenband nicht die hohe Bandbreite der Hochgeschwindigkeits-Busleitungen erfordern, profitieren die Konfigurationskanal- und Seitenbandpins vom unidirektionalen ESE-Schutz mit einer Kapazität im mittleren Bereich. Für diese Pins bietet Littelfuse die Lösungen SP1003-01ETG und SP1006-01UTG.
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In der Mitte des USB-Typ-C-Steckers befinden sich 2 Differenzialpaare, die einen konventionellen USB 2.0-Bus bilden. Im Gegensatz zum herkömmlichen USB 2.0 ist der Bus in der Mitte von USB Typ C jedoch bidirektional angelegt. Dieser Hochgeschwindigkeitsbus benötigt einen eigenen bidirektionalen ESE-Schutz mit niedriger Kapazität, wie ihn die Teilenummern SP3022-01WTG und SP3022-01ETG von Littelfuse bieten.
USB hat eine nachgewiesene Erfolgsbilanz, sodass sich USB 3.1 Typ C ohne jeden Zweifel bei den Endanwendern durchsetzen wird. Es sind bereits erste Geräte auf dem Markt, die diesen Standard implementieren. Viele davon sind Mobilgeräte, und die Kunden erwarten ein robustes Produkt, das den Belastungen von Jackentasche, Schreibtisch und Autositz standhält. Außerdem wird erwartet, dass die Geräte mit Kabeln von bis zu 3 Meter Länge angeschlossen werden können. Der Stecker soll endlich richtungsunabhängig sein. Diese Bedingungen machen die Gestaltung des ESE-Schutzes umso kritischer. Littelfuse bietet eine komplette Linie von ESE-Lösungen für die nächste Generation von Hochgeschwindigkeits- und Hochleistungsgeräten.