USB Typ-C-Steckverbinder schützen

Schutzfunktionen für USB Typ-C implementieren

Allgemein ausgedrückt, handelt es sich beim USB Typ-C-Steckverbinder um einen vom USB-Standard definierten Steckverbinder, der Stromversorgung, Daten, Audio und Video in einem einzigen lageunabhängigen Steckverbinder zusammenfasst. Das klingt sehr einfach. Was jedoch für den Konsumenten so einfach und flexibel aussieht, hat hinsichtlich des Designs eine Reihe technischer Herausforderungen mit sich gebracht. Der folgende Beitrag handelt von den Herausforderungen, die sich beim Schutz des USB Typ-C-Steckverbinders mit diskreten Bauelementen einstellen.

Varianten von USB-Steckverbindern (Bild: Texas Instruments Deutschland GmbH)

Varianten von USB-Steckverbindern (Bild: Texas Instruments)

Der USB Typ-C-Steckverbinder unterscheidet sich in vielerlei Hinsicht von den älteren Versionen Typ-A, Typ-B und Micro-B (Bild 1). Zum Beispiel ist er symmetrisch und kann daher in beiden Lagen gesteckt werden. Er besitzt 24 Pins und misst 8,4×2,6mm. Anders als bisherige Steckverbinder, die der USB-Standard definiert hat und die nur zur Bereitstellung von bis zu 2,5W (USB2.0) oder 5W (USB3.0) geeignet sind, können per USB Typ-C bis zu 100W übertragen werden. Hierdurch werden viele Schnelllade-Anwendungen möglich, während über die anderen Adern des Steckverbinders gleichzeitig Daten übertragen werden. Was den Schutz von USB Typ-C-Steckverbindern angeht, steht man vor zwei Herausforderungen:

• Ein kleiner Pin-Abstand birgt ein erhöhtes Kurzschlussrisiko. Um so viel Funktionalität bei so kleinen Abmessungen zu unterstützen, beträgt das Pinraster der USB Typ-C-Steckverbinder 0,5mm. Das ist weit weniger als das Raster von 2,5mm beim USB Typ-A-Steckverbinder. Der geringe Abstand erhöht aber die Wahrscheinlichkeit, dass es zu Kurzschlüssen zwischen den Pins kommt. Wenn sich Schmutz im Steckverbinder ablagert oder ein Anwender den Stecker schräg aus der Buchse zieht, kann leicht ein Kurzschluss auftreten, was besonders bei den Pins SBU (Sideband Use) und CC (Configuration Channel) schädliche Auswirkungen hat. Beide befinden sich nämlich, wie Bild 2 zeigt, unmittelbar neben den VBUS-Pins und verkraften nicht mehr als 5 V. VBUS aber kann bis zu 20 V und 5 A bereitstellen, um das oben erwähnte Schnellladen mit 100W Leistung zu ermöglichen, sodass empfindliche Bauteile, die mit den SBU- und CC-Pins in Kontakt kommen, erheblich beschädigt werden können.

• Nicht normkonforme Kabel und Adapter können Schäden an internen Schaltungen verursachen. Bei einer Untersuchung von USB Typ-C-Kabeln, die bei Amazon angeboten werden, stellte sich heraus, dass 28 Prozent der Kabel nicht der USB-Schnittstellenspezifikation entsprachen. Zwar wurden fehlerhafte Kabel von einigen Anbietern aus dem Programm genommen, doch besteht nach wie vor das Risiko, dass Anwender fehlerhafte oder nicht normgerechte Kabel erwerben. Aus diesem Grund müssen Systeme neben dem normalen ESD-Schutz (gegen elektrostatische Entladungen) auch mit einem Überspannungsschutz ausgestattet sein. Dabei sind nicht normkonforme Kabel keineswegs der einzige Grund zur Sorge, denn es gibt auch Netzadapter, die nicht dem Standard entsprechen und ohne korrekte Aushandlung der USB Power Delivery (PD) sofort 20V auf VBUS legen. Wenn das betreffende System nur für 5V ausgelegt ist oder die CC-Pins auf die an VBUS liegende Spannung gezogen werden, können die anschließenden Schaltungen dauerhaft beschädigt werden.

Pinbelegung des USB Typ-C-Steckverbinders (Bild: Texas Instruments Deutschland GmbH)

Pinbelegung des USB Typ-C-Steckverbinders (Bild: Texas Instruments)

Zwei Ansätze zur Bewältigung der Herausforderungen beim Schutz von USB Typ-C

Selbstverständlich können Designer mehrere diskrete Port-Schutzbausteine kombinieren, um diese und andere Herausforderungen zu bewältigen. Dies aber bringt für die Designer mehr Zeitaufwand mit sich, vergrößert die Abmessungen und steigert die Komplexität der Leiterplatten im System. Als erstes Unternehmen bietet Texas Instruments integrierte Schutzbausteine für USB Typ-C-Ports an, um Designern beim Schutz und beim Design zu helfen. Die USB Typ-C Port Protectors der Familie TPD8S300 kombinieren Überspannungs-, ESD- und Kurzschlussschutz zusammen mit Steuerungslogik in einem nur 3x3mm (9mm²) messenden QFN-Gehäuse (Quad Flat No-lead). Diese Lösung spart nicht nur viel Designzeit und Leiterplattenfläche, sondern bietet dem jeweiligen Equipment auch Schutz nach dem neuesten Stand der Technik. Wollte man eine solche Schutzlösung mit diskreten Bauelementen implementieren, würde diese aus mehr als 13 separaten Bauteilen bestehen und 39mm² Leiterplattenfläche einnehmen. Zweifellos ist USB Typ-C eine überaus leistungsfähige und flexible Schnittstelle. Diese bringt jedoch hinsichtlich des Designs der Schutzvorkehrungen neue Herausforderungen mit sich, die es bei USB Typ-A und USB Typ-B noch nicht gab. Eine diskrete Schutzlösung ist nicht unmöglich. Sie kann aber teuer und komplex werden und viel Platz auf der Leiterplatte beanspruchen. Dagegen bietet die TPD8S300-Familie eine einfache Lösung, die mit 75 Prozent weniger Leiterplattenfläche auskommt als eine diskrete Implementierung.

Autor: Matthew Xiong,
Technical Sales Associate,
Texas Instruments
www.ti.com

USB Typ-C-Steckverbinder schützen
Bild: Texas Instruments Deutschland GmbH


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