Tipps für USB, HDMI, DisplayPort und eSATA Wie lassen sich physische Schnittstellen richtig schützen?

Autor / Redakteur: Todd Phillips* / Ulrike Ostler

Elektronikdesigner müssen Schnittstellen für USB, HDMI, Display-Ports oder eSATA schützen, ohne die Sende- und Empfangsleistung zu beeinträchtigen. Dafür ist auf der Leiterplatte wenig Platz. Doch es gibt bewährte Praktiken, um die vier wichtigen Kommunikationsprotokolle effizient abzusichern.

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Der Schutz physischer Schnittstellen sieht natürlich anders aus als im Mittelalter. Heute kommt es wesentlich darauf an, die Interfaces für USB, HDMI, Display-Port und eSATA zu schützen, ohne die Sende- und Empfangsleistung zu beeinträchtigen.
Der Schutz physischer Schnittstellen sieht natürlich anders aus als im Mittelalter. Heute kommt es wesentlich darauf an, die Interfaces für USB, HDMI, Display-Port und eSATA zu schützen, ohne die Sende- und Empfangsleistung zu beeinträchtigen.
(Bild: Gordon Johnson auf Pixabay)

Zahlreiche Kommunikationsschaltungen und -protokolle unterstützen eine Vielzahl von Anwendungen. Da diese Schaltungen Daten zwischen separaten Geräten übertragen und empfangen, sind die Ports der Schnittstellen nahe der Oberfläche und damit externen Bedrohungen ausgesetzt. Dazu gehören Stromüberlastungen und Spannungstransienten durch Blitzschlag, schnelle elektrische Transienten (EFT) und elektrostatische Entladung (ESD).

Die Schaltkreise sind daher vor möglichen Schäden zu schützen, die durch diese externen Gefahren verursacht werden. Dabei dürfen die Maßnahmen aber das Übertragungsprotokoll der Schnittstelle nicht beeinträchtigen. Auch mit den implementierten Schutzschemata müssen die Kommunikationsschaltungen die Daten weiterhin zuverlässig und fehlerfrei übertragen. Und der Empfänger muss die Informationen korrekt erkennen und dekodieren können, so dass die ursprünglichen Daten vollständig wiederhergestellt werden.

Vier wichtige Kommunikationsprotokolle sind: Universal Serial Bus (USB)-Standards, die sich mit höheren Geschwindigkeitsformaten weiterentwickeln, das High Definition Multimedia Interface (HDMI), die DisplayPort-Schnittstelle und das External Serial Advanced Technology Attachment (eSATA).

USB-Schnittstellen

Der USB-Anschluss ist bei Personal Computern, Computer-Peripheriegeräten, elektronischen Test- und Messgeräten sowie zahlreichen anderen Produkten allgegenwärtig. Die USB-Schnittstelle ermöglicht eine einfache und schnelle Verbindung zwischen Computern, intelligenten Geräten und Peripheriegeräten. Sie wurde erstmals 1996 standardisiert und seitdem verbessert, um höhere Geschwindigkeiten zu unterstützen und mehr Strom zum Aufladen batteriebetriebener Geräte zu übertragen.

Das USB-Implementers Forum (USB-IF) hat den Standard in vier Hauptversionen weiterentwickelt [1]. Der kabelgebundene USB-Standard begann mit der Version 1.0 und wurde mit den Versionen 2.0 und 3.x optimiert. Derzeit befindet er sich in der Revision 4, USB 4. Durch die unterschiedlichen Datenraten kann ein USB-Anschluss mit Geräten verbunden werden, die von langsamen Tastaturen bis zu Hochgeschwindigkeits-Videogeräten reichen.

Designer können damit die Vorteile einer allgemeinen Schnittstelle nutzen, bei der die Signalleitungen nicht auf eine bestimmte Funktion eines Gerätetyps beschränkt sind. Außerdem lassen sich USB-Schnittstellen so einrichten, dass sie eine geringe Latenzzeit für zeitkritische Funktionen haben oder große Datenübertragungen im Hintergrund ermöglichen.

Darüber hinaus definiert der Standard Power Delivery (PD)-Revisionen für die USB-Versionen 1 bis 3. Mit den PD-Revisionen können Geräte über die USB-Schnittstelle mit Strom versorgt und geladen werden. Die Leistungskapazität ist dabei von 2,5 W (5 V und 0,5 A) auf 100 W (20 V und 5 A) gestiegen. Die USB-Steckverbinder wurden ebenfalls weiterentwickelt, um höhere Datenraten und mehr Leistung zu unterstützen.

Abbildung 1: Empfohlene Schutzkomponenten für USB 2.0- und USB 3.2-Schnittstellen.
Abbildung 1: Empfohlene Schutzkomponenten für USB 2.0- und USB 3.2-Schnittstellen.
(Bild: Littelfuse)

Schutz für USB 2.0-Schnittstellen

Die USB 2.0-Schnittstelle besteht aus einer VBUS-Stromleitung und zwei Datenleitungen, wie in Abbildung 1 links oben dargestellt. Die VBUS-Leitung, die ihren Strom aus der AC-Netzleitung beziehen kann, unterliegt möglichen Stromüberlastungen und Spannungstransienten, die sich auf der AC-Netzleitung ausbreiten. Zum Schutz vor Überlastungen sollte eine rücksetzbare Sicherung auf der VBUS-Leitung installiert werden. Nach Behebung der Überlast lässt sich die Sicherung dann zurücksetzen und der Stromkreis kann weiter funktionieren.

Eine PPTC-Sicherung (Polymer Positive Temperature Coefficient) ist eine rücksetzbare Sicherung, deren Widerstand aufgrund der durch einen Überlaststrom erzeugten Wärme deutlich ansteigt. Die interne Struktur der PPTC-Sicherung ändert sich während einer Überlast, um einen Anstieg des Widerstands zu verursachen.

Wenn das Gerät abkühlt, wird die niederohmige Struktur wiederhergestellt. Diese Sicherungen sind für Niederspannungsstromkreise ausgelegt, bei denen die maximale Nennspannung üblicherweise 24 V beträgt. Weitere Merkmale von PPTC-Sicherungen sind:

  • Extrem niedriger Widerstand, der von wenigen mΩ bis etwa 2 Ω reicht, wenn ein Strom unterhalb des Auslösewertes der Sicherung fließt
  • Breites Spektrum an Nennströmen von 100 mA bis 9 A
  • Schnelle Auslösezeit
  • Platzsparendes, oberflächenmontierbares Gehäuse in den Größen 0402 bis 2920
  • UL-Zertifizierung für die Komponenten und TÜV-Zulassung

Die ransient Voltage Suppressor (TVS)-Diodenanordnung

Entwickler sollten die von der VBUS-Leitung gespeiste Schaltung vor netzinduzierten Transienten und elektrostatischen Entladungen (ESD) schützen. Dafür eignet sich eine unidirektionale Transient Voltage Suppressor (TVS)-Diodenanordnung. Versionen dieser Art von Diodenarray bieten:

  • Ausreichend Kapazität zur sicheren Absorption von bis zu 40 A bei einer elektrisch schnellen Transiente und 5 A bei Blitzeinschlag
  • Die Fähigkeit, einem ±30 kV ESD-Einschlag über die Luft oder durch direkten Kontakt zu widerstehen
  • Einen geringen Ableitstrom von maximal 0,5 µA in 5-V-Schaltungen
  • Ein platzsparendes 0201-Gehäuse für die Oberflächenmontage

Abbildung 2: 4-Kanal-TVS-Diodenarray mit einer Zener-Diode zum Schutz vor transienten Spannungen.
Abbildung 2: 4-Kanal-TVS-Diodenarray mit einer Zener-Diode zum Schutz vor transienten Spannungen.
(Bild: Littelfuse)

Zudem sind die Datenleitungen vor Spannungstransienten zu schützen, welche die Datenübertragung beeinträchtigen können. Dazu dient ein 4-Kanal-TVS-Diodenarray, wie in Abbildung 2 dargestellt. Es besitzt folgende Eigenschaften:

  • Die sichere Absorption eines +22 kV-ESD-Schlags über die Luft oder durch direkten Kontakt sowie eines -10 kV-ESD-Schlags über Luft oder direkten Kontakt
  • Eine minimale Auswirkung auf die Datenleitungen mit einer Kapazität von 0,3 pF pro Pin gegen Masse.
  • Geringer Ableitstrom von 10 nA für minimale Belastung der Schaltung.

Somit werden nur drei Komponenten benötigt, um einen USB 2.0-Port vollständig abzusichern.

Schutz für USB 3.2-Schnittstelle

Wie Abbildung 1 rechts oben zeigt, besteht die USB 3.2-Schnittstelle aus einer VBUS-Leitung sowie sechs Daten- und Steuerleitungen. Für den Schutz der VBUS-Leitung eignen sich die gleichen Komponenten, die auch zur Absicherung der USB 2.0-Schnittstelle vor Überstrom- und Überspannungsereignissen in Betracht kommen. Um die sechs Datenleitungen vor Spannungstransienten zu schützen, empfiehlt sich eine diskrete TVS-Diodenanordnung an jedem Port. Bestimmte TVS-Diodenarrays weisen folgende Funktionen auf:

  • Sichere Absorption von bis zu 40 A Spitzenstrom aus einer elektrisch schnellen Transiente
  • ESD-Schutz bis ±18 kV über die Luft und ±12 kV bei direktem Kontakt
  • Geringer Ableitstrom mit einem Maximalwert von 20 nA
  • Niedrige Kapazität von 0,09 pF Pin-Pin beeinträchtigt nicht die Signalintegrität

Sie bieten einen besseren Schutz für Hochgeschwindigkeits-USB-Ports, da Komponenten mit geringerer Kapazität nur minimale Auswirkungen auf die Datenübertragungskapazität haben.

Schutz für USB 3.2- und USB 4.0-Schnittstellen

USB 3.2 Gen 2x1 und höhere Versionen erfordern einen Typ-C-Stecker. Es handelt sich dabei um einen High-Density-Steckverbinder. Daher ist der Typ-C-Stecker aufgrund von eindringenden Staub und Schmutz anfällig für ohmsche Kurzschlüsse zwischen den Kontakten. Mit bis zu 100 W an den Stromanschlüssen können jederzeit Schäden am Stecker und den zugehörigen Schaltkreisen entstehen.

Abbildung 3: Empfohlene Schutzkomponenten für USB 3.2- und USB 4.0 Typ-C-Schnittstellen.
Abbildung 3: Empfohlene Schutzkomponenten für USB 3.2- und USB 4.0 Typ-C-Schnittstellen.
(Bild: Littelfuse)

Zum Schutz des USB-Typ-C-Steckers vor der durch Kurzschluss erzeugten Wärme eignet sich ein digitaler Temperaturindikator auf der Leitung des Konfigurationskanals (CC), wie in Abbildung 3 dargestellt. Damit lässt sich ein präziser Schutz bei allen Leistungsbedingungen gewährleisten, von der niedrigsten Stufe wie 5 W bis hin zum maximalen Wert bei USB-C von 100 W. Weitere Informationen zur Implementierung dieser thermischen Schutzfunktion stehen im USB-Typ-C-Standard [2].

Für die Absicherung gegen Transienten dienen verschiedene Versionen von TVS-Diodenarrays. Für Superspeed-Leitungen kommen TVS-Diodenarrays in Betracht, die eine möglichst geringe Kapazität aufweisen. Empfehlenswert sind TVS-Diodenarrays mit geringem Ableitstrom, insbesondere für die VBUS-Leitungen, um den Stromverbrauch niedrig zu halten. Für den Einsatz in der Automobilindustrie sollten TVS-Diodenarrays genutzt werden, die als Komponenten AEC-Q101-qualifiziert sind (Automotive Electronics Council Failure Mechanism Based Stress Test Qualification for Discrete Semiconductors) [3].

Schutz für HDMI-, DisplayPort- und eSATA-Schnittstellen

Für HDMI-, DisplayPort- und eSATA-Schnittstellen sind die Schutzmaßnahmen recht ähnlich, so dass sie sich gemeinsam betrachten lassen. HDMI verbindet hochauflösendes Video und digitales Audio von einem Display-Controller mit einem Video- oder Audiogerät [4]. HDMI ist bekannt als de-facto-Standard für hochauflösendes Fernsehen und wird seit 2004 genutzt. Die aktuelle Version 2.1 kann Daten mit einer maximalen Rate von 48 Gb/s übertragen.

Die DisplayPort-Schnittstelle dient zur Übertragung von Videodaten von einer Videoquelle zu einem Anzeigegerät, etwa einem PC-Monitor. Sie kann gleichzeitig Audio und Video übertragen und löste dadurch den VGA-Standard ab. DisplayPort wurde 2006 eingeführt. Die Version 2.0 mit einer Zieldatenrate von 77 Gb/s wird voraussichtlich noch in diesem Jahr veröffentlicht. Diese Schnittstelle ist kompatibel mit der HDMI-Schnittstelle. Die Video Electronics Standards Association pflegt den Display-Port-Standard [5].

Die SATA (Serial Advanced Technology Attachment)-Schnittstelle wurde ursprünglich in einem parallelen Format von IBM für den IBM AT PC entwickelt. Sie gilt heute als Industriestandard für Festplattenlaufwerke [6]. Der externe SATA-Standard (eSATA) wurde 2004 entwickelt, um eine robuste Verbindung für den Anschluss externer Festplatten zu schaffen.

Abbildung 4: Empfohlener Schutz für HDMI-, DisplayPort- und eSATA-Schnittstellen.
Abbildung 4: Empfohlener Schutz für HDMI-, DisplayPort- und eSATA-Schnittstellen.
(Bild: Littelfuse)

Die drei Schnittstellen sind in Abbildung 4 dargestellt. Für ihren Schutz vor schädlichen Transienten lässt sich ein einziger Komponententyp, ein 4-Leiter-TVS-Diodenarray, verwenden. Abbildung 5 zeigt dessen Konfiguration. Solche TVS-Diodenarrays bieten:

  • Extrem niedrige Kapazität von 0,2 pF, die das Augendiagramm bei der Übertragung nicht merklich beeinflusst
  • 25 nA Ableitstrom für minimale Leistungsaufnahme
  • ESD-Schutz bis zu ±20 kV über Luft oder direkten Kontakt
  • SOD 883-Gehäuse, um Platz auf der Leiterplatte zu sparen und die Komplexität des Leiterbahnlayouts zu reduzieren.

Abbildung 5: TVS-Diodenarray zur Unterdrückung von Spannungstransienten auf vier Hochgeschwindigkeits-Datenleitungen.
Abbildung 5: TVS-Diodenarray zur Unterdrückung von Spannungstransienten auf vier Hochgeschwindigkeits-Datenleitungen.
(Bild: Littelfuse)

Geschützte Schnittstellen erhöhen Robustheit und Zuverlässigkeit

Die Absicherung von Übertragungsschnittstellen erfordert Komponenten, die einen Schutz für die Schaltung bieten, ohne die übertragenen Signale zu beeinträchtigen. Dazu sind nicht viele Komponenten nötig, dennoch gibt es eine große Auswahl an Varianten. Elektronikdesigner sollten daher das Fachwissen eines Herstellers beim Entwurf und der Auswahl von Schutzkomponenten nutzen, um wertvolle Entwicklungszeit zu sparen.

Der Hersteller kann dabei kostengünstige Lösungen empfehlen. Schutz vor Stromüberlastungen und Spannungstransienten führt zu einem robusten, zuverlässigen Design, das den Ruf des Produkts im Markt erhöht und die Kosten für den Service während der Garantiezeit reduziert.

* Todd Phillips ist Marketing Manager, Electronics Business Unit, bei der Littelfuse, Inc.

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