МИР ПЕРИФЕРИЙНЫХ УСТРОЙСТВ ПК

 

USB сейчас повсюду. Трудно представить, что буквальное еще несколько лет назад USB считался просто перспективным интерфейсом с последовательной передачей данных. А сейчас без USB уже трудно представить современную жизнь. Трудно назвать электронное устройство, в которое не пытались бы «затолкать» USB. Даже люди, далекие от информационных технологий, услышав сочетание букв USB, сразу представляют, о чем идет речь. USB разрабатывался именно как интерфейс массового применения, и поэтому в нем уже предусмотрена возможность «горячего» подключения, и именно эта возможность сбивает многих с толку. Достаточно много людей, считающих себя специалистами, глубоко ошибаются, думая, что разделенное по времени подключение сигнальных и питающих линий во время сопряжения USB-устройств, способно решить абсолютно все проблемы, связанные с электростатической защитой в момент подключения. Так могут считать лишь дилетанты. На практике же, очень много сил и средств тратится на обеспечение электростатической защиты как USB-устройств, так и USB-хабов, а в ремонте множество устройств диагностируется, как «не подлежащие ремонту», по сути, из-за пустяка.

Прежде, чем обсуждать вопрос электрической безопасности USB, вспомним, что собою представляет этот интерфейс на физическом уровне.

Кабель USB

Кабель USB состоит из четырех проводов. Исключение составляют лишь кабели, предназначенные для устройств, поддерживающих спецификацию OTG (On-The-Go – упрощенное соединение двух устройств). В кабелях OTG используется пять проводов и эти кабели достаточно легко узнать – на их концах находятся mini-розетки и mini-вилки (mini-A, mini-B и mini-AB).

Итак, четыре провода кабеля USB представляют собой две пары:

- одна пара используется для подачи питания и состоит из провода схемной земли (GND) и провода питания +5В (Vbus);

- вторая пара предназначена для передачи данных, и линии этой пары обозначаются D+ и D-.

В кабелях спецификации OTG вводится еще одна линия – линия идентификации роли устройства (ID).

USB-кабель имеет максимально-допустимую длину 5м. Ограничения на длину кабеля между USB-хабом и устройством накладывают затухания и задержки, вызванные эквивалентной емкостью кабеля. Регламентируемая задержка на передачу сигналов по кабелю USB составляет не более 26 нс. Именно этими соображениями должны руководствоваться производители USB кабелей. Конструкция кабеля определяется версией USB, а требования к конструктиву описаны в соответствующих стандартах и регламентных документах.

Кабель USB 1.X. Сигнальные провода этого кабеля должны представлять собой витую пару из проводов калибра 28WG с импедансом 90 Ом. Характеристики (затухание, временные задержки и т.п.) для сигнальной пары нормируют в частотном диапазоне до 16 МГц. Линии питания и схемной земли могут изготавливаться из проводов калибра от 20WG до 28WG. Экранировка кабеля в этом стандарте не предусматривалась. Для устройств, работающих исключительно на низкой скорости, мог использоваться кабель и с неперевитой парой сигнальных линий (при этом, длина кабеля не должна была превышать 3м).

Кабель USB 2.X. Основные требования для кабеля точно такие же, что и в USB1.X. Основным отличием является обязательное наличие в кабеле экрана, которому соответствует отдельный проводник. Такой кабель способен обеспечить гарантированную передачу данных с любой скоростью, вплоть до HS (High Speed).

Передача данных по линям D+ и D- не ограничивается лишь дифференциальными сигналами. Приемники и передатчики позволяют использовать множество состояний линий и команд. При этом учитываются не только уровни электрических сигналов, но и время нахождения в том или ином состоянии. Но это буде темой одного из следующих обзоров.

Разъемы

Разъемы USB спроектированы таким образом, чтобы обеспечить наиболее легкое и безопасное подключение. Для поддержания функции «горячего» подключения, разъемы обеспечивают более раннее соединение и более позднее отсоединение питающих цепей, по сравнению с сигнальными цепями. В USB-устройствах можно встретить несколько типов разъемов.

1. Тип «А» (рис.1-а). Гнезда устанавливаются на нисходящих портах хабов. Вилки типа «А» устанавливаются на шнурах периферийных устройств или восходящих портов хабов.

2. Тип «В» (рис.1-б). Гнезда этого типа используются для шнуров, отсоединяемых от периферийных устройств (принтеры, сканеры и т.п.) и восходящих портов хабов. На устройстве в этом случае устанавливается гнездо, а на кабеле – вилка.

3. Тип «mini-B» (рис.1-в). Гнезда этого типа устанавливаются на отсоединяемых шнурах малогабаритных устройств (например, цифровые фотокамеры).

4. Тип «mini-A» (рис.1-д). Вилки этого типа используются для подключения устройств OTG к портам малогабаритных устройств с гнездом «mini-AB».

5. Тип «mini-AB» (рис.1-е). Гнезда этого типа устанавливаются на портах двухролевых устройств OTG. Такое двухролевое устройство ведет себя как хост, если в гнездо вставлена вилка «mini-A», и как периферийное устройство, если в гнездо вставлена вилка «mini-B».

Рис.1

На системных платах часто встречаются штырьковые разъемы для подключения кабелей-«выкидышей», которыми подключаются дополнительные разъемы USB, устанавливаемые на передней или боковой панели корпуса компьютера. На эти штырьковые разъемы выводится два USB-порта, и возможные конфигурации этих разъемов показаны на рис.2. Ошибки при подключении к штырьковым разъемам приводят к неработоспособности порта.

Рис.2

Все кабели USB являются «прямыми», т.е. провода кабеля соединяют одноименные контакты двух разъемов, расположенных на противоположных концах кабеля. Исключением является лишь кабель OTG, в котором сигнал ID либо соединен с GND (на вилке mini-A), либо не соединен с GND (на вилке mini-B).

Ошибки в подключении цепей GND, +5V и линий данных приводят к нагреванию кабелей и разъемов. Кроме того, неправильная полярность питающего напряжения (GND и +5V перепутаны местами) может приводить к повреждению подключаемого устройства.

Приемопередатчики

Для передачи сигналов используются две линии: D+ и D-. Для формирования, приема и выделения сигналов, передаваемых по этим линиям, со стороны хаба и подключенного устройства должны иметься следующие устройства:

1) Дифференциальный приемник, на выходе которого сигнал появляется в момент приема данных.

2) Управляемый, т.е. отключаемый, дифференциальный передатчик для скоростей FS/LS. Этот передатчик является источником напряжения, который позволяет формировать не только дифференциальные сигналы, но и «линейный 0» (SE0). Этот передатчик может отключаться ля обеспечения полудуплексного обмена данными.

3) Линейные приемники, которые анализируют текущее состояние сигнальных линий D+ и D-.

4) Подтягивающие резисторы, с помощью которых задаются уровни напряжений на линиях D+ и D-. Со стороны устройства или восходящего порта хаба устанавливаются резисторы Ruf и Rul (по 1.5 кОм), которые смещают линии D+ и D- на величину +2.7В...+3.6В. Со стороны нисходящего порта хаба устанавливаются резисторы Rd1 и Rd2 (по 15 кОм), включаемые между сигнальными линиями и «землей».

Для устройств USB 2.0, которые поддерживают высокую скорость передачи HS, вводятся еще и дополнительные элементы:

- коммутатор, отключающий резистор Ruf при выборе высокой скорости HS;

- последовательные резисторы Rz1 и Rz2 на выходах дифференциального передатчика, обеспечивающие согласование с линией;

- управляемый дифференциальный источник тока;

- детектор амплитуды сигналов;

- детектор отключения (для нисходящих портов хаба).

Уровни сигналов передатчиков FS/LS в статическом режиме должны быть ниже 0.3В, что соответствует низкому уровню, или выше 2.8В, что соответствует высокому уровню. Приемники должны выдерживать входное напряжение, находящееся в диапазоне от -0.5В до +3.В. Чувствительность дифференциальных приемников составляет 200 мВ при синфазном напряжении 08В-2.5В. Линейные приемники должны обладать гистерезисом с нижним порогом 0.8В и верхним порогом 2В.

Графическое представление физической части интерфейса USB дает изображение на рис.3.

Рис.3

Почему нужна электростатическая защита

Одним из направлений совершенствования интерфейса USB является повышение скорости передачи данных. В частности в стандарте USB 2.0 максимальная скорость передачи данных возросла до 480 Мбит/с, и, по всей видимости, это не предел. Повышение частоты при передаче данных не только повышает пропускную способность канала, но и повышает надежность соединения и улучшает такие показатели, как помехоустойчивость и ошибкоустойчивость. Однако при повышении скорости передачи данных размах сигналов на информационных линиях значительно уменьшается. Законы физики неумолимы – чем выше частота, тем меньше амплитуда сигнала. Таким образом, современные высокочастотные интерфейсы используют слаботочную, но более чувствительную аппаратуру, для который такие негативные факторы, как превышение напряжения и увеличение тока, могут иметь просто катастрофические последствия. Кроме того, последствия перенапряжений и токовых бросков могут воздействовать «скрытно», т.е. проявляться в виде неустойчивой связи, срывов при передаче данных, «зависаний» и т.п.

Основным источником бросков тока и напряжения являются, конечно же, процессы подключения и отключения устройств. Кроме того, не стоит забывать и такое явление, как накопление на устройстве, или на человеке, производящем подключение устройства, статического электричества, воздействие которого на электронные компоненты может быть просто ужасающим.

В результате всего вышеизложенного, можно сделать вывод о необходимости организации в USB-устройствах защиты от двух типов событий:

- защиты от перенапряжений;

- защиты от превышения токов.

Причинами, по которым USB-устройство должно оснащаться защитой от перенапряжений могут являться следующие соображения.

1) Общим источником большинства случаев перенапряжения является электростатический разряд (ESD). Производители современных микросхем, предусматривая возможность воздействия ESD на чип, обеспечивают свою продукцию встроенной защитой. Большинство современных чипов имеет встроенную защиту от ESD , величиной до 2000В. Этого вполне достаточно в условиях производства того, или иного устройства (производители оборудования, конечно же, обеспечивают технологический процесс антистатической защитой). Однако конечное устройство, попадая в самые различные условия эксплуатации, может подвергаться воздействию гораздо более высоковольтных разрядов.

2) Человек достаточно легко может накопить на себе электростатический потенциал, величиной до 15 кВ. Естественно, что при подключении USB-устройства, этим высоковольтным разрядом может быть поврежден USB-порт. Причем встроенная ESD-защита чипа не сможет предотвратить разрушения микросхемы.

Исходя из всего этого, можно сделать вывод, что производители различных устройств (системных плат, периферийных устройств, хабов и т.п.) поступают очень неосмотрительно, если не используют различные средства защиты USB от электростатических разрядов. К сожалению, хочется констатировать, что подавляющее большинство современных системных плат не имеют подобной защиты. Именно поэтому в компаниях, торгующих компьютерной техникой и заботящихся о своих клиентах, от продавцов-консультантов можно услышать весьма осторожные заявления, типа: «Лучше будет, если USB-устройства Вы будете подключать при обесточенном компьютере и периферийном устройстве». Именно то же самое могут сказать и сервисные специалисты этих компаний, практически каждый день сталкивающиеся с отказом системных плат именно в части USB. Разработчики USB, конечно же, предусмотрели возможность «горячего» и корректного подключения устройств, но это не является панацеей от всех бед, как, наверное, хотелось бы.

Методы защиты USB-интерфейсов от ESD

Метод защиты USB-устройств от статических разрядов достаточно прост и традиционен - использование специальных подавителей разрядов. Подобные устройства в литературе, особенно англоязычной, получили название супрессоров (Suppressor). В современных USB-устройствах можно встретить несколько типов супрессоров:

1. Комбинированные супрессоры диодного типа.

2. Комбинированные транзисторные TVS-супрессоры.

3. Дискретные супрессоры.

Здесь мы указали только те элементы защиты, которые реально используются в USB. Если же открыть публикации, посвященные защите от разрядов и защите от электромагнитных помех, то можно встретить и другие типы устройств, например, такие, как газоразрядники, TVS-диоды, TVS-тиристоры, регулирующие диоды, LC-фильтры и др.

Комбинированные супрессоры диодного типа

TVS – Transient Voltage Supressor – подавитель выбросов напряжения. Эти подавители являются полупроводниковыми приборами, у которых ВАХ аналогична стабилитрону. В условиях нормальной работы ограничители являются высокоимпедансной нагрузкой по отношению к защищаемой схеме и служат для защиты цепи. В идеальном случае, устройство выглядит как разомкнутая цепь с незначительным током утечки. Когда напряжение переходного процесса превышает рабочее напряжение цепи, импеданс ограничителя понижается, и ток переходного процесса начинает течь через ограничитель. Мощность, образовавшаяся при переходном процессе, рассеивается в пределах устройства и ограничивается максимально допустимой температурой перехода. Когда линейное напряжение достигает нормального уровня, ограничители автоматически возвращаются в высокоимпедансное состояние. Примером таких устройств является TVS-диод (рис.4).

Рис.4

TVS-диоды бывают двух типов: несимметричные и симметричные. Отличие их вольт-амперных характеристик демонстрирует рис. 5.

Рис.5

Особенностью защиты линий USB является то, что необходимо обеспечивать защиту высокоскоростных и низковольтных линий, именно поэтому часть защитных устройств, например TVS-диоды, применяться в USB не могут. На напряжениях, ниже 5В, стандартная технология TVS диодов становится непрактичной. Традиционно, TVS диоды,- это кремниевые плоскостные диоды, которые намеренно разработаны с большой площадью перехода, чтобы позволить им справляться с сильными бросками тока (площадь влияет на ток, а не на напряжение). Это делает их бесполезными для использования при низком напряжении, так как их емкостное сопротивление напрямую зависит от площади перехода, растущей экспоненциально при снижении рабочего напряжения. Емкостная нагрузка, создаваемая традиционным TVS диодом высокоскоростному сигналу или передаче через длинную линию, приводит к значительному ухудшению или отражению сигнала. Вдобавок, использование при производстве диодов высококонцентрированных присадок может заставить устройства достичь очень низких нейтральных напряжений, но, также, выразится в очень высоком возвратном токе утечки и переходной ёмкости выше нормальной.

Решением этой проблемы является применение регулирующих низкоемкостных диодов (рис.6).

Рис.6

Между двух устройств, находящихся на линии, включены два источника фиксированного напряжения – питающее напряжение (VCC) и "земля" (GND). В тот момент, когда импульс напряжения на линии превысит сумму прямого напряжения диода и опорного напряжения, диоды направят его на питающую шину или «землю». Достоинством этого метода является низкая емкостная нагрузка, быстрое время реакции и двунаправленность (относительно опорного напряжения). Однако есть и недостатки, заключающиеся в том, что дискретные компоненты не рассчитаны на высокие скачки тока, связанные с ESD и могут выйти из строя. Другая проблема этого метода – это перенаправление импульса на питающую шину, что может привести к повреждению компонентов источника питания и других элементов, подключенных к этой же шине питания. Решением этой проблемы является добавление диода TVS на шину питания, для того, чтобы импульс перенапряжения направлялся на землю (рис.7). Именно таким образом и получают комбинированные супрессоры диодного типа.

Рис.7

Пример использования комбинированного супрессора (типа NUP4201DR2) для защиты двухканального интерфейса USB 2.0 приводится на рис.8.

Рис.8

В принципе, в USB-устройствах можно встретить применение более простых интегральных супрессоров на базе регулирующих диодов. Здесь применим принцип, лучше хоть что-то, чем свеем ничего. Примеры построения таких супрессоров представлены на рис.9.

Рис.9

Комбинированные транзисторные TVS-супрессоры

Целое семейство интегральных супрессоров предназначено для интерфейса USB1.1. Их эквивалентная структура и распределение сигналов по контактам показаны на рис.10.

Рис.10

Супрессоры такого типа выпускались фирмой Texas Instruments, и имели маркировку SN65220 (одноканальный супрессор), SN65240 и SN75240 (двухканальные супрессоры). Микросхемы этого типа обеспечивают подавление шумовых выбросов напряжения, образованных самыми различными источниками, уменьшая тем самым вероятность отказа микросхем контроллеров USB.

Основными характеристиками и особенностями супрессоров этого типа являются:

- напряжение ограничения – 6В;

- малый ток утечки – 1 мкА при напряжении 6В;

- малое значение емкости – 35 пФ;

- защита о ESD до 15 кВ;

- мощность импульса – до 60Вт;

- максимальное значение броска прямого тока – 3А;

- максимальное значение броска обратного тока - -9А.

Рис.11

Вольт-амперная характеристика микросхем этого типа показана на рис.11, а на рис.12 демонстрируется принцип подключения микросхем к линиям USB.

Рис.12

Обязательно стоит отметить, что микросхемы этого типа не предназначены для использования в интерфейсе USB 2.0 – этому мешает величина емкости супрессора. Емкость 35 пФ является малой лишь для USB 1.1, т.е. для скоростей LS и FS, а для скорости HS в USB 2.0 это значение является достаточно большим. Для защиты интерфейса USB 2.0 фирмой Texas Instruments производятся микросхемы на основе регулирующих диодов, например микросхем аTPD2E001.

Дискретные супрессоры

Под дискретными супрессорами обычно подразумевается сразу несколько типов электронных приборов. Реальное же применение для защиты USB-интерфейсов нашли следующие из них:

1. Импульсные предохранители – Pulse Guard (PG);

2. Многоуровневые варисторы – Multi Layer Varistors (MLV);

3. Позисторы – Positive Temperature Coefficient (PTC).

Комбинация этих элементов защиты позволяет организовать полнофункциональную защиту всех элементов USB интерфейса. Принцип организации электростатической защиты USB интерфейса с помощью дискретных элементов демонстрируется на рис.13.

Рис.13

Дадим краткую характеристику элементов этой защиты.

Импульсные предохранители PulseGuard®, выпускаемые фирмой Littelfuse® из полимерных композитных материалов, являются ESD-супрессорами с очень малым значением емкости (0.055 пФ), что позволяет использовать их для защиты высокочастотных каналов передачи данных, и в частности каналов USB, работающих на скоростях HS (до 480 Мбит/с). Малая емкость этих приборов практически не искажает форму сигналов на информационных линиях (рис.14).

Рис.14

Вольт-Амперная характеристика приборов PulseGuard представлена на рис.15.

Рис.15

На этой характеристике наблюдается всплеск напряжения – Trigger Voltage (напряжение включения). Trigger Voltage – это импульс напряжения, возникающий на супрессоре в период пока его сопротивление изменяется с большого на малое, т.е. это выброс, возникающий в момент, когда супрессор переходит в режим фиксации напряжения. Но так как инерционность PulseGuard очень мала (менее 1 нс), этот всплеск получается очень коротким и его амплитуда составляет не более 1000 В. Таким образом, получается, что приборы PulseGuard пропускают короткие всплески напряжения величиной до 1000 В, но это, на самом деле, не страшно, т.к. все современные микросхемы имеют встроенную защиту от подобных всплесков величиной до 2000 В. Приборы PulseGuard предназначены для поверхностного монтажа и бывают двух типов – для защиты одной линии (серия PGB0603, например, PGB0010603) и для защиты двух линий, выпускаемых в корпусах SOT23. Внешне они выглядят как обычные SMD компоненты: чип-резисторы и чип-транзисторы.

Основные характеристики PulseGuard:

- напряжение включения ... 1000В;

- напряжение фиксации ... 150В;

- максимальное допустимое постоянное напряжение на защищаемых линиях ... 24В;

- емкость ... 0.055 пФ;

- время реакции ... менее 1нс;

- ток утечки (при 6В) ... менее 1нА;

- минимальное количество выдерживаемых импульсов ... 1000.

Последняя из приведенных характеристик говорит о том, что существует некоторый предел использования приборов PulseGuard, т.е. постепенно, с каждым новым срабатыванием, они несколько деградируют. Теоретически, существует такой момент времени, когда очередной ESD-разряд не будет «поглощен» супрессором и приведет к отказу USB-устройства.

Варисторы MLV предназначены для защиты линий питания и «земли» USB интерфейсов. Приборы MLV, фактически, являются типичными варисторами, задача которых заключается в защите от воздействия напряжения, имеющего больший номинал, чем порог срабатывания варистора. Принцип функционирования MLV при возникновении ESD-разряда поясняет рис.16.

Рис.16

Приборы MLV, также выпускаемые фирмой Littelfuse®, представляют собой компоненты поверхностного монтажа.

Позисторы PTC – это терморезисторы с положительным температурным коэффициентом сопротивления (+ТКС). Эти приборы позволяют защитить линии USB от больших токов, вызванных, короткими замыканиями линии +5V и GND. При возникновении короткого замыкания в линии +5В ток через PTC резко возрастает, что приводит к его разогреву и увеличению сопротивления. Переходя в состояние высокого сопротивления, PTC, фактически, размыкает цепь питания, отключая тем самым устройства USB. После того как причина большого тока в канале +5V будет устранена, PTC остывает и восстанавливает свое малое сопротивление.

На этом обзор средств ESD защиты интерфейса USB мы закончим, но в конце хотелось бы сделать еще пару замечаний на эту тему.

Во-первых, все элементы защиты, которые были представлены в настоящем обзоре, могут быть использованы не только для USB-интерфейсов, но в равной степени и для защиты линий Ethernet и FireWire.

Во-вторых, несмотря на наличие самых различных вариантов ESD защиты и присутствие на рынке целого ряда продуктов этой линии, большинство современных разработчиков системных плат не используют абсолютно никаких средств защит USB интерфейсов. Но самым непонятным в этой ситуации является то, что на печатных платах предусмотрены места, и печатные контактные площадки для установки супрессоров, но нет самих супрессоров (рис.17).

Рис.17

Естественно, что в таких условиях говорить о высоком качестве системных плат не приходится, хотя все остальное может быть и качественным и дорогим.