ESD 確認 USB インターフェース

USB インターフェースは、おそらく世界で最も普及している PC インターフェースです。産業用アプリケーションでの使用はますます一般的になっています。産業用アプリケーションの特殊な環境条件を詳しく見てみましょう。EMI および ESD に対する堅牢性に関して懸念があることは、Intel の「High Speed USB Platform Design Guidelines」に記載されています。Intel は、EMI 抑制用のコモンモードチョークと、ESD パルスに対する保護用の別のコンポーネントの使用を推奨しています。

ウルトエレクトロニクスは、これらすべてのタイプの製品を提供しています。

　・WE-CNSW コモンモードチョークは、高速信号ラインでの EMI 抑制のために開発されました。
　・ ESD 抑制には、非常に低い静電容量 (<2pF) の TVS ダイオードアレイ WE-TVS または ESD サプレッサー WE-VE（静電容量 0.05pF まで）が推奨されます。

しかし、優れた EMI 動作のためには、電源 (V_BUS) も保護する必要があります。多くの設計エンジニアは、この重要な点を忘れており、製品が EMI ラボのすべてのテストに合格しない時に疑問を持ちます。1つまたは2つの USB ポートの適切に保護するための 2つの典型的な回路図を次に示します。1つの TVS ダイオードアレイ WE-TVS を使用すると、2つの USB ラインを完全に保護できます。4つの信号ラインと共通の電源はすべて適切に保護されます。

さらなる最適化、すなわち USB ラインから入ってくるコモンモードノイズおよびディファレンシャルモードノイズをフィルタリングするために、LC フィルターはコモンモードチョーク WE-CNSW とコンデンサーで構築されています。電源ラインでは、ウルトエレクトロニクスの WE-CBF シリーズのようなチップビーズフェライトを使用して、非常に優れたノイズ抑制を達成できます。

ESD サプレッサーシリーズ WE-VE のようなシングルライン保護コンポーネントも、信号ラインから GND に接続する必要があります。電源ライン保護には、低容量 ESD サプレッサーを使用する必要はありません。より高いサージとより高い過渡エネルギーに耐えられる標準の SMD バリスターをお勧めします。

TVS ダイオードについて

ウルトエレクトロニクスは、WE-TVS と呼ばれる TVS ダイオードアレイシリーズがあります。。これらの TVS ダイオードアレイには、3つの主な機能があります。

　・EN61000-4-2 に準拠した ESD パルスに対する保護
　・EN61000-4-5 に準拠したサージパルスに対する保護
　・EN61000-4-4 に準拠した EFT パルスに対する保護

WE-TVS シリーズは、サージ耐量を持った高性能に設計された TVS ダイオードアレイです。USB2.0、DVI、LAN などの高速データラインを過電圧から保護するための最適な選択肢です。WE-TVS シリーズは、EN61000-4-2 で概説されている要件を満たしています。超低静電容量 (<2.0 pF) のため、信号ライン上ではほとんど見えません。

ESD サプレッサーについて

ESD サプレッサーは、固有静電容量が低く定義された特殊なバリスターです。ウルトエレクトロニクスには 3つの異なるシリーズがあります。

　・WE-VE 標準シリーズ：静電容量 1pF ～ 120pF、電圧 5V ～ 24V
　・WE-VE "ULC" シリーズ：静電容量 0.2pF、12V までの信号ライン向け
　・WE-VE femtoF シリーズ：静電容量 0.05pF、定格電圧 6V、14V、26V

最初の 2つのシリーズには、4エレメントアレイパッケージも用意されています。

さまざまな要件に対応するさまざまな保護デバイス

4種類の TVS ダイオードアレイと5種類の ESD サプレッサをご利用可能です。

アイパターンテスト

保護要素を選択した後は、インターフェース設計全体が USB 仕様の要件を満たしていることを確認する必要があります。そのため、信号ライン上ではほとんど見えない小さな静電容量を持つウルトエレクトロニクスの保護デバイスを使用することができます。

アイパターンテストは、WE-TVS が USB2.0 信号を妨害しないことを示しています。ここに記載されている他の TVS ダイオードや ESD サプレッサでも同じ結果が得られます。次の表は、ウルトエレクトロニクスの最先端の超低静電容量技術を示しています。この新技術により、通常の動作状態ではチャネル間の静電容量がほとんど見えなくなります。

表1：静電容量部品の比較

ESP 保護デバイスの保護レベルのテスト

保護レベルを測定する最も簡単な方法は、ESD 保護デバイスを使用して電子回路に ESD パルスを適用し、保護デバイスの前後でこの ESD パルスのピーク電圧を測定することです。しかし、この方法には別の問題があります。ESD パルスは数MHz から数GHz と高周波で広範囲のため、測定中に高周波の屈折が発生します。屈折中の絶対ピーク電圧とスパイク電圧は、保護の良し悪しの指標になりますが、決定的なクランプ電圧を示すことはできません。ちなみに、これは信頼性が低く、再現性のある測定ではありません。

半導体製品に精通しているエンジニアは、TLP 測定の方法を知っています。TLP (Transmission Line Pulse) 方法は、すべての測定が 50Ω システムでおこなわれるため、再現性が高く非常に正確な測定システムです。定義された電流インパルス（左）が保護コンポーネントに充電され、その結果得られる電圧が測定されます（中央）。この手順は、TLP電流を増加させながら繰り返されます。その結果、TLP 曲線（右）が得られます。

この測定は、VDD ピンと I/O ピンに対して実行できます。測定する電圧が低いほど、保護デバイスは優れており、電子回路の信頼性も高くなります。ウルトエレクトロニクスの TVS ダイオードは、組み込まれたスナップバック技術のおかげで、市場で最も低い ESD クランプ電圧を実現しています。競合他社の製品と比較して、WE-TVS は明らかに優れています。TLP 曲線を少し見ればこのことがわかります。

表2：VDD 用部品の比較

シングル USB ポートの推奨レイアウト

2つの差動信号ライン (D+ と D-) は、図9 に示すように、コネクターから TVS ダイオード (WE-TVS 824 011) を経由し、コモンモードチョーク (WE-CNSW 744 232 090) を通って USB コントローラーに接続されます。これにより、両方のデータラインで優れた ESD 保護とEMI抑制が実現します。VBUS は信号ラインと同様に配線されますが、コモンモードチョークの代わりにチップビーズフェライト (WE-CBF 742 792 641) が使用されます。チップビーズの後にコンデンサと 2番目のチップビーズを追加して、可能な限り優れた EMI 抑制効果を得ることができます。

非常に敏感な IC および/または信頼性の高いアプリケーションでは、図10 に示すように 4エレメント TVS アレイ (WE-TVS 824 015) を 2重に接続すると、最適化された ESD 抑制効果を得ることができます。 

シングルチャンネルコンポーネントを好む設計者は、ESD サプレッサー WE-VE も使用することもできます。D+/D- から GND への接続が必要です（図11）。その他の部品は上記と同様に接続します。

ダブル USB ポートの推奨レイアウト

シングル USB ポートの保護とルーティングは非常に似ています。ここでは、シングルポートの保護とまったく同じ部品を使用し、保護レベルも同じになります。

 

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