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Sep 12, 2023

Integrità del segnale TDK TVS per USB4® e Thunderbolt® 4

Peripheral devices using USB are widely used, and their connectors can be

I dispositivi periferici che utilizzano USB sono ampiamente utilizzati e i loro connettori possono essere esposti al fenomeno ambientale delle scariche elettrostatiche (ESD). Ciò potrebbe causare danni ai circuiti elettronici sensibili all'interno dei dispositivi portatili. L'approccio standard a questo problema consiste nell'aggiungere componenti di protezione all'interno, che sopprimono livelli di tensione più elevati e potenzialmente dannosi al di sotto dei livelli di soglia dei circuiti integrati reindirizzando le sovracorrenti lontano dai circuiti integrati sensibili e assorbendo l'energia erogata. Questi dispositivi di protezione dovrebbero essere invisibili ai circuiti durante il normale funzionamento e non dovrebbero compromettere il segnale di comunicazione sulle linee da proteggere. A differenza di USB 2.0 e delle generazioni successive fino a USB 3.2, presenti sul mercato da molto tempo e sviluppate separatamente dagli altri protocolli, USB4® e Thunderbolt 3 seguono la stessa "Specifica del test di conformità elettrica USB4". Dal punto di vista della frequenza del segnale, i segnali Thunderbolt 3 e Thunderbolt 4 sono gli stessi. Anche la soluzione di protezione ESD, quindi, è la stessa. In pratica, ciò significa che le soluzioni di protezione ESD progettate per uno di questi protocolli possono essere utilizzate per l'altro poiché la frequenza utilizzata nella linea di comunicazione è la stessa.

L'USB4 Implementers Forum (USB-IF) ha lavorato sull'ultimo protocollo con l'obiettivo di offrire funzionalità di visualizzazione, dati e caricamento/archiviazione tramite un singolo connettore USB4 Type-C® pur mantenendo la compatibilità con l'ecosistema USB esistente, incluso il compatibilità con i prodotti Thunderbolt® tramite il connettore USB4 Type-C, che supporta anche i sistemi Thunderbolt 4 (TBT4) in modalità Alt [rif: www.usb.org]. Questo connettore è stato ampiamente accettato grazie al fatto che è invertibile e collegabile, cosa che è stata ottenuta realizzando pin speculari su entrambi i lati del connettore. Questi pin dovrebbero essere collegati con un'adeguata protezione ESD poiché possono essere facilmente esposti a un evento ESD nell'uso quotidiano.

La figura seguente mostra la disposizione dei 24 pin utilizzati nella presa USB-C. La migliore pratica è posizionare la protezione ESD il più vicino possibile alla fonte dell'evento transitorio, ovvero al connettore. Ciò significa che sono necessari dispositivi di soppressione delle sovratensioni miniaturizzati che non occupino molto spazio e offrano tuttavia una protezione sufficiente. Dei 24 pin del connettore illustrati di seguito, quattro vengono utilizzati per il collegamento a terra e non richiedono protezione. Interfaccia presa [rif: www.usb.org]

Grazie alla struttura reversibile della punta della spina USB Type-C e alla ridondanza dei pin D+ e D- sui lati vengono collegati 18 pin. D-/D+ sono i pin utilizzati per collegare la coppia USB 2.0 differenziale + e –. È quindi sufficiente che il lato della presa supporti entrambi i pin della coppia differenziale USB 2.0 (posizionati sopra e nella riga inferiore), mentre l'orientamento della spina determina quale coppia sarà attiva.

GND – contrassegnati come Ritorno a terra, sono tutti i pin di ritorno a terra collegati sul PCB. I pin Tx e Rx vengono utilizzati per dati ad alta velocità e la protezione di tali pin deve essere scelta con attenzione, considerando l'integrità del segnale su tali linee.

VBUS – Il pin di alimentazione del bus, che supporta tensioni e correnti più elevate, consente la ricarica rapida tramite tali pin. La tensione nominale sui pin del bus è fino a 20 V e le correnti fino a 5 A, per una potenza massima di 100 W.

Oltre ai vantaggi della porta USB Type-C menzionati in precedenza, un protocollo USB PD (Power Delivery) consente una ricarica rapida dei dispositivi finali e una maggiore flessibilità per l'utente finale. La tensione specificata per USB PD è fino a 48 V ed è disponibile per l'uso in combinazione con un cavo EPR (Extended Power Range) [rif: "Specifiche del connettore del cavo USB Type-C", ottobre 2022] come mostrato di seguito:

Note 1: Mentre la specifica USB BC 1.2 consente di progettare un fornitore di alimentazione per supportare un livello di potenza compreso tra 0,5 A e 1,5 A, la specifica USB Type-C richiede che una porta Source che supporti USB BC 1.2 sia almeno in grado di fornisce 1,5 A e pubblicizza la corrente USB Type-C a 1,5 A oltre a supportare la terminazione del fornitore di alimentazione USB BC 1.2.