高周波PCB技術 - USB-C電力供給データケーブルの保護を強化するには？

紹介

新しいUSB Type-C（USB-C）ケーブルとコネクタ仕様により、デジタルカメラや薄型タブレットなどの電子製品に電力を供給する方法と相互接続を大幅に簡素化しました（図1）。この仕様は最大15 WのUSB-C充電アプリケーションをサポートし、充電電力を100 Wに拡張しました。USB-C給電（PD）は、交換充電可能なさまざまなデバイスを含みます。USB Type-Cは保護システムに新たな挑戦をもたらした。新しいコネクタの間隔はUSB Micro-Bの間隔より小さく、VBUSの機械的短絡のリスクが高くなります。また、USB PDに関連する高電圧のため、より強力な保護が必要です。その後、電子負荷の日々の複雑さはESDと電圧サージの保護を強化することを要求しています。この設計ソリューションは、USB Type-C PDアーキテクチャとD/D-データ信号保護に関する課題をレビューしました。

図1.USB-Cケーブルでタブレットに接続されたデジタルカメラ

USB-C PDシステム

図2は、USB−Cケーブルに接続し、リチウムイオン（Li）電池から電力を供給することができる典型的なポータブル電源管理装置のフロントエンドを示します。

VBUSが存在する場合、充電器、システム、および残りのモジュールに電力を供給します。この段階では、バッテリーが充電されます。VBUSがオフの場合、バッテリはシステムに電力を供給します。USB-Cケーブルの場合、CC 1とCC 2のピンはポート接続、ケーブル方向、キャラクタ検出、ポート制御を決定します。D／D−線は標準的なUSB−C通信線であり、480 Mbpsの速度でデータを処理し、D／D−保護装置に保護されています。PDコントローラは電力供給プロトコルを実現します。

図2.USB PD電源管理システム 

保護の課題

電源におけるサージおよび静電放電（ESD）は一般的であり、電子負荷や機器の損傷を引き起こす可能性があります。ESDは体から電子回路に静電荷が移行することによって引き起こされ、ハンドヘルド電子機器の大きな問題です。サージは稲妻によるものか、落雷に近い場所に敷かれた長いケーブルによるものかもしれません。スイッチやリレーは、オン操作とオフ操作の間にサージを引き起こします。負荷突然降下は、自動車の電池接続を切断することによって発生するサージです。良いデータ線保護ICは、データ品質を大幅に低下させることなく、十分な保護を提供する必要があります。

統合ソリューション

例えば、MAX 20334は2 x SPDTスイッチであり、過電圧保護機能を有し、携帯機器に適しています（図3）。ICは、下流データ線を高圧短絡、ESD、またはサージイベントの影響から保護することを目的としています。このデバイスは、携帯型電子機器における高性能スイッチング用途に必要な低オン容量と低オン抵抗を組み合わせています。ICには内部正過電圧とサージ保護機能があります。このデバイスはUSB低/全/高速信号を処理し、2.7 Vから5.5 Vの電源で電力を供給することができます。このICは12バンプ（1.23 mmx 1.63 mm）ウェハレベルパッケージ（WLP）を採用し、-40℃から85℃温度範囲を広げて動作します。

図3.拡張保護を備えた2つのSPDTスイッチ 

拡張保護

ESD保護構造はすべてのピンに統合されており、処理中や組み立て中にガンダムに遭遇しないようにしていますか。2 kV（人体模型）の静電放電です。COMAとCOMB（図2と図3）はさらにガンダム？15 kV（マネキン）、？15 kV（IEC 61000-4-2に記載のエアギャップ放電方法）と？8 kV（接触放電方法に記載の接触放電方法）のESD保護IEC 61000-4-2）に損傷はありませんでした。ESD構造は、通常の動作中でも、デバイスの電源がオフの場合でも、高いESDに耐えることができます。ESDイベントの後、ICはラッチなしで動作を続けます。ICは-30 V〜45 V（IEC 61000-4-5）のサージ保護と20.5 Vまでの過圧保護を有します。

この高度に統合された拡張保護ソリューションのPCBレイアウトを、純粋なサージ保護と低OVおよびESD保護を提供する典型的な競合デバイスと比較しました。後者はESD/サージ/OV仕様を満たすために追加の回路を必要とし、より高価なBOMと5倍以上のPCB有効面積占有をもたらします。

図4.拡張保護の利点

データの整合性

図5の目視図は、湾曲した青い線が禁止された赤色領域から大きな距離を保っているため、データ信号の良好な完全性レベルを一目瞭然に示しています。保護ICの高帯域幅は信号の立ち上がりと立ち下がり時間とジッタの減速を小さくし、それによって良好な誤差マージンを生成し、これはUSB一貫性試験に合格するために重要です。

図5.D/D-アイ図面

結論

USB Type-Cは、デジタルカメラや薄型タブレットなどの電子製品の相互接続、電力供給、保護に新たな課題をもたらしています。新しいコネクタの間隔がUSB Micro-Bの間隔より小さく、VBUSの機械的短絡のリスクが増加します。また、USB PDに関連する高電圧のため、より強力な保護が必要です。その後、電子負荷の日々の複雑さはESDと電圧サージの保護を強化することを要求しています。本設計では、ガンダム？15 kV ESD保護、-30 Vから45 Vサージ保護、20.5 V過電圧保護の強化型保護デバイスは、集積度の低いデバイスに比べて、ESD/が低いBOMと小さいPCB有効面積を占有するサージ/OV規格を満たすために、データ線を単独で保護することができます。