Susun Atur ESD USBLC6-2SC6: Laluan Pengapit, Jahitan Bumi, dan Stub

Peranti ini mengapit nyahcas sentuhan 8 kV pada kira-kira 31 V. Sama ada IC anda bertahan bergantung pada ke mana 24 A itu benar-benar mengalir — dan 10 mm jejak bernilai lebih volt daripada pengapit.

1. Apa yang disumbangkan oleh komponen ini

USBLC6-2SC6 ialah tatasusunan ESD dua talian dengan rel sepunya, dalam SOT-23-6L. Nombor-nombor yang penting untuk susun atur:

"31 V" yang sering dipetik berasal daripada pengiraan lembaran data itu sendiri. Tenaga dibahagikan antara diod pincang hadapan dan transil songsang, masing-masing dengan rintangan dinamik kira-kira 0.5 Ω:

Ip   = Vgun / Rgun = 8000 V / 330 ohm = 24 A
VCL+ = (VBR + Rd x Ip) + (VT + Rd x Ip)
     = (6.1 + 12) + (1.1 + 12)
     = 18.1 + 13.1 = 31.2 V

Itu ialah voltanpada pin perlindungan. Ia tidak menyatakan apa-apa tentang voltan pada IC, iaitu angka yang menentukan sama ada IC itu terselamat.

Rail-to-rail, dan mengapa itu penting untuk susun atur

Peranti ini bukan TVS dua hala yang mudah. Setiap pin I/O mempunyai diod ke rel dalaman dan transil ke bumi; rel itu sendiri dikapit ke bumi. Serangan positif melalui diod rel, sepanjang rel, melalui transil, dan keluar ke bumi. Serangan negatif mengambil laluan terus.

Laluan dalaman itu pantas — nanosaat — tetapi ini bermakna pakej memerlukan sambungan bumi yang kukuh dan sambungan VBUS yang kukuh. Jika VBUS dibiarkan terapung, laluan serangan positif terputus dan pengapit berkelakuan berbeza. Pin 5 mesti disambungkan, walaupun pada reka bentuk data sahaja.

Menganggar dengan papan sebenar

Ambil papan 4 lapis, penyambung USB-C di tepi, TVS 8 mm jauhnya, IC 30 mm lebih jauh, satah bumi pada lapisan 2:

Pengapit pada TVS:            31 V
Jejak TVS ke IC (30 mm): 30 nH x 24 A/ns = 720 V
Jumlah pada pin IC:     ~750 V

Maksimum mutlak IC (CMOS biasa): 5.5 V

Aritmetik itu kelihatan tidak masuk akal kerana nyahcas sebenar tidak menghantar 24 A ke laluan induktif untuk satu nanosaat penuh — kabel, jurang udara dan laluan balik semuanya membentuk denyut. Tetapi arahnya tidak kabur: pada 30 mm, susun atur ialah sebutan dominan, dan tiada TVS dapat mengimbanginya.

2. Nombor yang tiada siapa anggarkan dalam belanjawan: induktans

Setiap milimeter jejak menambah kira-kira 1 nH. Nyahcas sentuhan 8 kV meningkat dalam kira-kira satu nanosaat, jadi kecerunan arusnya sangat besar. Darabkan:

V = L x di/dt

1 mm   = 1 nH  -> 24 V
5 mm   = 5 nH  -> 120 V
10 mm  = 10 nH -> 240 V
20 mm  = 20 nH -> 480 V

Tambah pengapit dan anda mendapat tegasan pada IC: kira-kira 151 V pada 5 mm, 271 V pada 10 mm, 511 V pada 20 mm. Ini adalah anggaran — masa naik sebenar, induktans pakej dan laluan bumi semuanya penting — tetapi penskalaan itulah perkara utamanya. Melebihi beberapa milimeter, jejak mendominasi.

Elok semak andaian itu daripada mempercayainya. 1 nH/mm ialah peraturan yang munasabah untuk jejak 0.2 mm di atas satah; jejak tanpa satah rujukan di bawahnya lebih teruk, dan jejak yang melalui celah dalam satah boleh menjadi beberapa kali lebih teruk. Angka 24 A/ns datang daripada nanosaat pertama bentuk gelombang IEC, bukan daripada arus purata — kecerunan puncak itulah yang menyebabkan gandingan.

Dua akibat berikut untuk semakan. Pertama, ukur jarak pada susun atur sebenar, bukan pada skematik: pin penyambung, pad TVS dan pin IC ialah tiga titik berbeza. Kedua, jika angka itu tidak menyenangkan, jawapannya hampir selalu ialah mengalihkan komponen itu, bukan memilih komponen dengan pengapit yang lebih rendah.

3. Pakej ini ialah aliran-terus, bukan stub

Susunan pin SOT-23-6L adalah luar biasa dan sering disalah baca. I/O1 muncul pada pin 1 dan 6; I/O2 muncul pada pin 3 dan 4. Kedua-duanya ialah nod dalaman yang sama, disusun supaya isyarat boleh melaluiteruspakej:

Inilah sebabnya soalan forum yang biasa — "bolehkah saya sambungkan pin 1 dan 6 bersama-sama?" — mempunyai jawapan yang agak janggal: ya, ia sudah pun nod yang sama, tetapi jika anda menyambungkannyadanmencabang talian dengan stub, anda telah membina semula masalah yang pakej itu direka bentuk untuk elakkan (perbincangan).

Dua bentuk susun atur berikut:

Kapasitans: kecil, tetapi bukan tanpa kos

Setiap I/O menambah 2.5 pF lazim, 3.5 pF maksimum, ke bumi, serta kira-kira 1.2 pF antara dua talian. Pada pautan USB 2.0 480 Mb/s, itu boleh diterima — standard menjangkakan penyambung dan perlindungan berada dalam bajet beberapa pikofarad.

Ia berhenti menjadi tanpa kos apabila anda menyusun elemen: cekok mod sepunya, perintang siri, kapasitor penapis dan TVS semuanya menambah kapasitans pada nod yang sama. Pada 480 Mb/s, tambahan 3–5 pF kelihatan dalam rajah mata; pada 5 Gb/s ia membawa maut. Semak jumlah, bukan hanya TVS.

Padanan bahagian itu sendiri adalah baik — 0.015 pF antara pin I/O ke bumi — jadi ia tidak akan membuat pasangan pembezaan tidak seimbang. Itulah salah satu sebab untuk memilih tatasusunan berbanding dua diod diskret dengan susun atur berbeza.

4. Bumi: laluan pulangan ialah separuh daripada perlindungan

TVS berfungsi dengan mengalihkan arus ke bumi. Jika sambungan itu mempunyai induktans, "bumi" pada TVS akan bergerak naik semasa hentaman dan voltan pengapit meningkat bersamanya.

Satu via ≈ 0.7 nH

1 via   -> 17 V
4 via  ->  4 V
8 via  ->  2 V

Dua hingga empat via ke satah bumi biasanya mencukupi; keuntungan yang lebih besar ialah menghapuskan jejak bumi yang panjang antara selongsong penyambung dan bumi TVS. Jahit perisai penyambung ke satah yang sama, dan pastikan arus pulangan berada di bawah isyarat, bukan mengelilingi papan.

Selongsong penyambung ialah sebahagian daripada litar

Pada penyambung berselongsong logam, selongsong sering menjadi perkara pertama yang disentuh oleh tangan. Jika selongsong disambungkan ke bumi papan melalui jejak panjang dan nipis, nyahcas masuk ke papan di situ dan mencari jalan ke IC melalui mana-mana laluan bumi yang ada.

Peraturan praktikal ialah ikat cangkerang pada satah bumi secara terus di penyambung, dengan sambungan berinduktans rendah (beberapa via, kuprum lebar), dan pastikan talian data dirujuk kepada satah yang sama semasa ia masuk. Pada produk yang dibumikan casis, susunan kapasitor/perlepasan yang disengajakan antara casis dan bumi isyarat ialah keputusan peringkat sistem, bukan sesuatu yang boleh dibetulkan oleh TVS.

5. Peraturan susun atur yang benar-benar mengubah hasil

6. Apa yang benar-benar gagal

Kes 1: tatasusunan hadir, IC masih rosak

Laporan biasa ialah papan dengan TVS yang masih gagal ujian ESD pada penyambung. Dalam kebanyakan kes ini, komponen tersebut berada 15–30 mm jauhnya, di sisi lain tapak penyambung, dengan cabang stub. TVS mengapit dengan betul pada pinnya sendiri; IC melihat apitan ditambah induktansi jejak perantara.

Kes 2: pin disambungkan "untuk impedans yang lebih rendah"

Mengikat 1 ke 6 dan 3 ke 4 tidak berbahaya dari segi elektrik — ia adalah nod yang sama — tetapi ia sering dilakukan sambil mengekalkan stub asal, yang menafikan manfaat laluan terus. Jika anda menyambungkannya, sambungkan sebagai laluan terus, dengan isyarat masuk ke satu pin dan keluar dari pin yang lain.

Kes 3: reka bentuk USB-C tanpa perlindungan CC

USB-C menambah pin saluran konfigurasi yang terletak betul-betul pada penyambung dan sering terlepas pandang. Nyahcas ke CC boleh memusnahkan pengawal PD walaupun D+/D- dilindungi (perbincangan reka bentuk). Kira setiap pin yang sampai ke dunia luar, bukan hanya pasangan data.

Kes 4: "kami lulus ESD di bangku ujian, kemudian gagal dalam selongsong"

Ujian bangku selalunya menggunakan papan kosong di atas bangku, dengan satah bumi terus di bawahnya dan kabel pendek. Produk menambah bekas plastik, kabel yang lebih panjang, dan tangan yang memegang bekas itu. Setiap satu mengubah laluan pulangan. Pembaikan paling biasa bukan TVS yang lebih besar tetapi laluan yang lebih pendek dari cangkerang penyambung ke satah.

Jika selongsong dicat atau dianodisasi, semak bahawa cangkerang penyambung masih terikat pada bumi papan apabila dipasang. Casis bersalut boleh menjadikan pulangan pejal sebagai pulangan kapasitif.

7. Memilih perlindungan mengikut jenis port

Siapa yang tidak sepatutnya menggunakan bahagian ini:reka bentuk yang memerlukan perlindungan pada 10 Gb/s atau lebih tinggi (kapasitans dan induktans pakej menjadi penghad), papan di mana penyambung berada 20 mm dari mana-mana tapak perlindungan, dan produk yang mesti lulus ujian IEC peringkat sistem tanpa satah bumi di bawah penyambung.

Peraturan pemilihan praktikal: kira pin luaran, kemudian kira saluran perlindungan. USB 2.0 memerlukan dua talian data serta VBUS; USB-C menambah CC1, CC2, SBU1 dan SBU2, dan tatasusunan data sahaja meninggalkan empat daripadanya terdedah. Jika port boleh diakses pengguna, lindungi setiap pin yang boleh disentuh oleh penyambung, bukan hanya pin yang membawa data.

Kos jarang menjadi kekangan di sini. Perbezaan antara tatasusunan dan dua komponen diskret ialah beberapa sen; perbezaan antara pin CC yang dilindungi dan yang tidak dilindungi ialah pemulangan dari lapangan.

8. Mengesahkannya

Mengapa "komponen ini berkadar ±15 kV" bukan dakwaan sistem

Penarafan lembaran data diukur pada pin peranti dengan papan ujian yang ditentukan. Sesuatu produk diuji pada penyambung, melalui kabel, di dalam selongsong, dengan tangan pengguna sebagai sebahagian daripada litar. Antara kedua-dua persediaan itu terletak penyambung, jejak, satah bumi dan selongsong — semuanya boleh menambah atau mengurangkan volt. Anggap nombor lembaran data sebagai titik permulaan, bukan hasilnya.

1. Pistol IEC 61000-4-2 di penyambung, dengan papan dalam perumahannya dan kabel disambungkan. Penarafan peringkat peranti tidak menjamin hasil peringkat sistem.
2. TDR atau osiloskop dengan prob pantasmerentasi net terlindung untuk melihat stub; laluan terus yang bersih menunjukkan tiada ketakselanjaran.
3. Gambarajah mata pada 480 Mb/suntuk mengesahkan kapasitans tambahan tidak menutup mata.
4. Pengukuran lantunan bumisemasa hentaman: kuar pin bumi TVS, bukan bumi papan.
5. Ulangi pada panjang dan orientasi kabel kes terburuk, kerana laluan nyahcas merangkumi kabel.

Untuk pengiraan terma dan pemacuan pada papan yang sama, lihatAMS1117, TP4056dan2N7002panduan. KamiUSBLC6-2SC6dibekalkan dalam SOT-23-6L; untuk pemeriksaan masuk komponen perlindungan, lihatproses kebolehkesanan.

9. Semakan reka bentuk dalam tiga soalan

Inilah soalan-soalan yang mengubah papan. Segala-galanya yang lain hanyalah perincian setelah ia dijawab.

1. Berapa jauhkah pelindung dari penyambung, dalam milimeter?Darab dengan 24 V untuk menganggarkan sumbangan susun atur.
2. Adakah isyarat dihalakan melalui pakej, atau disadap?Stub ialah cabang; cabang ialah antena.
3. Di manakah arus hentaman meninggalkan papan?Jika jawapannya "melalui IC", susun atur itu salah tanpa mengira komponen.

10. FAQ

Bolehkah saya menyambungkan pin 1 dan 6 bersama-sama?

Ia adalah nod dalaman yang sama, jadi ya — tetapi hantar isyarat masuk pada satu dan keluar pada satu lagi. Menyambungkannya sambil mengekalkan stub memberi anda kapasitans tanpa manfaat susun atur.

Adakah TVS menggantikan susun atur yang baik?

Tidak. TVS menetapkan voltan pengapit pada pinnya sendiri; jejak antara ia dan IC menambah L·di/dt. Pada 24 A dan 1 nH/mm, setiap milimeter ialah 24 V.

Adakah 3.5 pF terlalu banyak untuk USB 2.0?

Tidak. Kelajuan tinggi USB 2.0 bertolak ansur dengan beberapa pikofarad pada penyambung; peranti ini ditentukan untuk penggunaan 480 Mb/s. Ia menjadi masalah hanya apabila beberapa elemen perlindungan dan penapis bertimbun.

Adakah saya perlu melindungi VBUS juga?

Ya, jika port terdedah. USBLC6 menyertakan perlindungan VBUS pada pin 5 tepat atas sebab ini, dan rel ini selalunya merupakan laluan nyahcas impedans terendah.

Bagaimana pula dengan pin CC dan SBU USB-C?

Ia juga terdedah ke dunia luar dan memerlukan perlindungan. Tatasusunan khusus data membiarkan pengawal PD terdedah; semak bilangan pin sebelum memilih komponen.

Berapa banyak via bumi yang mencukupi?

Dua hingga empat ke dalam satah adalah biasa. Keuntungan yang lebih besar datang daripada memendekkan laluan pulangan, bukan daripada menambah via pada laluan yang panjang.

Bolehkah saya menggunakannya pada peranti 3.3 V sahaja?

Ya. Voltan stand-off ialah 5.25 V, jadi ia boleh diletakkan pada talian 3.3 V tanpa bocor, dan tingkah laku pengapit tidak bergantung pada rel itu 5 V. Pastikan pin VBUS disambungkan ke rel setempat supaya laluan pulangan dalaman lengkap.

Adakah ia berfungsi untuk USB 3 atau HDMI?

Tidak pada kelajuan tersebut. Kapasitans 3.5 pF dan induktans pakej boleh diterima untuk kelajuan tinggi USB 2.0; lorong berkelajuan lebih tinggi memerlukan komponen flow-through dengan kapasitans lebih rendah yang ditentukan untuk kadar data itu.

Bagaimana jika penyambung berada pada papan berasingan atau fleks?

Maka perlindungan harus diletakkan pada papan itu, di penyambung, bukan pada papan utama. Fleks antara penyambung dan TVS menambah tepat induktans yang cuba dielakkan oleh susun atur, dan biasanya ia lebih teruk daripada jejak PCB kerana laluan pulangan tidak berada di bawah isyarat.

11. Sumber

• STMicroelectronics,Lembaran data USBLC6-2— VRM 5.25 V, VBR 6.1 V, VCL 12 V pada 1 A dan 17 V pada 5 A, 3.5 pF maks, IEC 61000-4-2 tahap 4.
• forum EEVblog,Perbincangan pasangan pin USBLC6-2SC6.
• Electronics StackExchange,Reka bentuk litar port USB-C: ESD, penapisan, perlindungan litar pintas.
• forum EEVblog,Nasihat perlindungan ESD USB.