設計ソリューション:USB-C Power Deliveryのデータラインは、強化された保護が必要

設計ソリューション:USB-C Power Deliveryのデータラインは、強化された保護が必要

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メタディスクリプション

USB-Cは、ポータブル電子機器に新たな保護上の課題を提起しています。2 x SPDTスイッチICのフル機能は、最小限のBOMとPCB占有率でこれらの課題に対応します。

キーワード

USB-C、データライン、サージ保護、ESD保護、過電圧保護、短絡保護

概要

USB-CとUSB-C Power Delivery(電力供給)は、電圧と電力の供給レベルを高めます。しかし、USB Micro-Bよりもピンピッチが狭い新型リバーシブルコネクタは、短絡の危険性が高くなります。また、携帯機器はますます複雑化しており、ESD、サージ、過電圧の保護に対する要求も高まっています。本設計ソリューションでは、大幅なBOMの削減と基板占有面積の縮小につながる、コンパクトでフル機能の保護ICをご紹介します。

はじめに

新しいUSB Type-C®(USB-C)ケーブルおよびコネクタ仕様は、デジタルカメラや超薄型タブレットなどの電子機器の相互接続と電源供給の方法を劇的に簡素化します(図1)。この仕様は、15WまでのUSB-C充電アプリケーションをサポートし、100Wまで充電を拡張するUSB-C Power Delivery(PD)は、交換充電可能なさまざまな機器に対応します。一方、USB Type-Cでは、システムを保護するための新たな課題も発生します。この新しいコネクタは、USB Micro-Bよりもピッチが小さいため、VBUSへのメカニカルショートのリスクが高まります。また、USB PDは高電圧であるため、より強固な保護が必要です。さらに、電子機器の負荷はますます複雑化しており、ESDや電圧サージからの保護強化が求められています。この設計ソリューションは、USB Type-C PDアーキテクチャと、D+/D-データ信号の保護に関連する課題を検討します。そして、最小限のBOMとPCB占有率でこれらの課題に対処できる高集積の2 x SPDTスイッチを提案します。

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図1. USB-Cケーブルでタブレットに接続されたデジタルカメラ

USB-C PDシステム

図2は、USB-Cケーブルに接続でき、リチウムイオン(Li+)バッテリを電源とする典型的なポータブル電源管理デバイスのフロントエンドを示しています。

VBUSが存在する場合、充電器、システム、および他のブロックに電力を供給します。このフェーズでは、バッテリが充電されます。VBUSが切断されると、バッテリからシステムに電力が供給されます。USB-Cケーブルでは、CC1ピンとCC2ピンがポートの接続、ケーブルの向き、役割の検出、ポートの制御を決定します。D+/D-ラインは480Mbpsのデータを扱うUSB-C標準の通信ラインで、D+/D-保護デバイスで保護されています。PDコントローラは、電力供給プロトコルを実装しています。

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図2. USB PDの電源管理システム

保護の課題

電源における電気サージや静電気放電(ESD)は一般的なものであり、電子負荷や機器に干渉したり、損傷を与えたりすることがあります。ESDは、人体から電子回路への静電気の移動によって引き起こされ、携帯型電子機器にとって大きな懸念事項です。サージは、落雷によって引き起こされる場合と、落雷の近くに敷設された長いケーブルに誘導される場合があります。スイッチやリレーは、オン/オフ動作時にサージを発生させることがあります。また、自動車のバッテリの接続を切ることによって発生するロードダンプというサージもあります。優れたデータライン保護ICは、データを大幅に劣化させることなく、十分な保護を提供する必要があります。

統合ソリューション

例として、MAX20334は携帯機器での使用を目的とした過電圧保護機能付きの2 x SPDTスイッチです(図3)。本ICは、高電圧のショート、ESD、サージからダウンストリームのデータラインを保護するように設計されています。携帯電子機器の高性能スイッチング用途に必要な低オン容量と低オン抵抗を兼ね備えています。また、正の過電圧保護、サージ保護機能を内蔵しています。USBのlow/full/high-speed信号を扱い、2.7Vから5.5Vの電源で動作します。このICは、12バンプ(1.23mm×1.63mm)ウェハレベルパッケージ(WLP)で提供され、-40°Cから+85°Cの拡張温度範囲で動作します。

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図3. 拡張保護機能付き2 × SPDTスイッチ

拡張保護機能

取り扱い時や組み立て時に発生する最大±2kV(Human Body Model、人体モデル)の静電気から保護するため、すべてのピンにESD保護構造を設けています。COMAとCOMB(図2、3)はさらに、±15kV(人体モデル)、±15kV(IEC61000-4-2に記載のエアギャップ放電法)、および±8kV(IEC61000-4-2に記載の接触放電法)のESDまでダメージなく保護されます。 ESD構造は、通常動作時およびデバイスのパワーダウン時の両方で、高いESDに耐えることができます。ESD事象があった後、ICはラッチアップすることなく機能し続けます。ICは、-30V~+45Vのサージ保護(IEC61000-4-5)、+20.5Vまでの過電圧保護に対応しています。

図4は、この高度に統合された拡張保護ソリューションと、正のみのサージ保護と低い OV および ESD保護を保有する一般的な競合デバイスのPCBレイアウトを比較したものです。後者の場合、ESD/サージ/OV仕様を満たすために回路を追加する必要があり、結果的にBOMのコストが高くなり、PCBのアクティブエリア占有面積も5倍になってしまいます。

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図4. 拡張保護の優位性

データ完全性

図5のアイダイアグラムでは、青い曲線が赤い禁止エリアから最大に近い距離を保っていることから、データ信号の完全性が高いことが一目でわかります。保護ICの広帯域化により、信号の立ち上がりや立ち下がり時間の劣化およびジッタを最小限に抑え、USBのコンプライアンス試験合格に重要なエラーの許容範囲に余裕を持たせています。

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図5. D+/D-アイダイアグラム

まとめ

USB Type-Cを使用すると、デジタルカメラや超薄型タブレットなどの電子機器の相互接続、電源供給、保護に新たな課題をもたらします。新コネクタは、USB Micro-Bよりもピッチが狭いため、VBUSへのメカニカルショートのリスクが高まります。また、USB PDは高電圧のため、より強固な保護が必要です。さらに、電子機器の負荷はますます複雑化しており、ESDや電圧サージからの保護強化が求められています。この設計ソリューションでは、最大±15kVのESD保護、-30V~+45Vのサージ保護、および+20.5Vの過電圧保護を備えた強化保護デバイスが単独でデータラインを保護し、集積度の低いデバイスと比較して、低BOMと小さなPCBアクティブエリア占有率でESD/サージ/OV仕様を満たすことができることを示しました。

詳細はこちらです。

MAX20334過電圧およびサージ保護を備えたデュアルSPDTデータラインスイッチ

MAX20334

MAX20334EWC+T

MAX20334EWC+

データシート(PDF) MAX20334 Datasheet

MAX20334 Evaluation Kit Preliminary

EDA-/CAD-モデル MAX20334EWC+ by Ultra Librarian

Design Solution No. DS243

2020年8月

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著者について

Nazzareno (Reno) Rossettiは、Maxim Integratedのアナログおよびパワーマネジメントのエキスパートです。この分野でいくつかの特許を取得し、公開されています。Renoは、イタリアのトリノ工科大学で電気工学の博士号を取得しています。

Josh Fankhauserは、Maxim Integratedの産業・ヘルスケアビジネスユニットで、産業用通信ソリューションのビジネスマネージャーを務めています。カリフォルニア大学ロサンゼルス校で材料科学と工学の修士号を取得しています。

図5について、Bob Kelly氏のご協力に感謝します。




オリジナル・ソース(English)