En 2013, el Foro de implementadores de USB (USB Implementers Forum) lanzó dos nuevas interfaces: USB 3.1 y USB Tipo-C. Juntas ofrecen muchas ventajas en comparación con las interfaces USB anteriores, pero dichas ventajas requerirán una meticulosa actualización del diseño.
Específicamente, los productos que admiten USB 3.1 Tipo-C deben especialmente proporcionar protección ESD para las distintas líneas de alimentación de velocidad alta y potencia alta incorporadas en estas nuevas interfaces. A su vez, los diseños deben garantizar que no se reduzca el ancho de banda. La línea de productos de Matriz de diodos de protección ESD de silicio optimizada (SESD) de Littelfuse ofrece una gama de soluciones adaptada exclusivamente a los desafíos de este diseño de interfaz en serie de alta velocidad. La línea de productos SESD ofrece la máxima protección con costo adicional de sistema, complejidad y atenuación mínimos.
La interfaz USB 3.1 permite la transferencia de datos de hasta 10 gigabits por segundo y, a través de la especificación Power Delivery 2.0, admite una transmisión de energía de hasta 100 Watts. Estas velocidades admiten unidades de estado sólido de avanzada, matrices RAID e incluso pantallas de video en alta resolución. La capacidad de potencia alta significa que la USB 3.1 es adecuada para alimentar la mayoría de los teléfonos móviles, laptops y demás periféricos. Para que las conexiones sean más convenientes, la interfaz Tipo-C elimina la interconexión codificada de las interfaces USB anteriores. No obstante, al igual que con las interfaces USB anteriores, la Tipo-C admite una variedad de longitudes de cable. Las interfaces USB 3.1 y USB Tipo-C pueden usarse de manera independiente, pero los consumidores obtendrán el mayor beneficio de los productos que admitan ambas interfaces en un solo puerto. Esta constelación de entrega de velocidad alta y potencia alta junto con un cableado sencillo y ubicuo parece un sueño hecho realidad para los aficionados de la tecnología, pero significa que los diseñadores de interfaces deberán tener un mayor cuidado en sus implementaciones.
La característica clave de la USB 3.1 es la alta tasa de transferencia de datos. La capacidad para transferencias de datos de hasta 10 Gbps coloca a la USB 3.1 a la par de los controladores Thunderbolt de primera generación. En las demostraciones de tecnología, la USB 3.1 probó que puede realizar las transferencias de datos de alta velocidad que admiten las unidades de estado sólido.
Para comprender cómo es posible esta alta velocidad, resulta útil revisar la definición del pin de la USB Tipo-C. Con referencia a la Figura 1, desde el borde exterior hacia adentro, los primeros pines de los bordes exteriores del conector son cuatro pines con conexión a tierra. Junto a los pines con conexión a tierra hay cuatro pares diferenciales trenzados que actúan cada uno como pares transmisores y receptores de líneas. Estos pares diferenciales constituyen el bus principal de alta velocidad. Cada una de estas líneas tiene capacidad para 5 Gbps. No obstante, solo un conjunto de cada uno de los pares transmisores y receptores está habilitado, lo que da como resultado el ancho de banda máximo total de 10 Gbps.
No obstante, el cable y los conectores no son los únicos que deben admitir esta interfaz de alta velocidad. Los datos atraviesan toda una red desde el PCB cliente, a través de un conector, hasta un cable, a través de otro conector y a través del PCB anfitrión. Las líneas de datos de alta velocidad son muy susceptibles a las ESD, especialmente en los pares de transmisión y recepción deshabilitados o no activados. Si bien es la suma de los elementos dependientes del sistema completo lo que determina el ancho de banda máxima posible para transmitir y recibir datos, el factor principal es la capacitancia. Las soluciones SESD de Littelfuse ofrecen protección ESD de capacitancia ultra baja en configuraciones unidireccionales y bidireccionales para brindar una opción de diseño sin sacrificar la protección ESD ni la integridad de la señal.
La especificación de la USB 3.1 requiere que los bits se transmitan como un 0 o un 1, sin cruzar los cero voltios. Como tal, la protección unidireccional es la solución preferida. La protección bidireccional es una capacitancia más baja y, por lo tanto, una opción de ancho de banda potencialmente mayor. Sin embargo, es importante tener en cuenta que el formato de protección bidireccional puede exponer las líneas de alta velocidad no activadas a posibles sobretensiones. Littelfuse ofrece una conveniente matriz unidireccional SESD (número de pieza RF3077-000) con una configuración de cuatro canales. Esta solución está destinada específicamente a proporcionar una protección óptima para las líneas de alta velocidad de la USB 3.1 a la vez que agrega solo una capacitancia de 0.2 pF al presupuesto total del diseño. Otra opción es usar soluciones unidireccionales de un solo canal, disponibles en el modelo estándar de la industria 0201 o en configuraciones con montaje superficial 0402. Littelfuse ofrece protección ESD bidireccional en formatos SOD-882 y 0201 DFN discretos para los clientes que valoran la flexibilidad del enrutamiento
Si nos adentramos aún más en el conector, los siguientes pines que encontramos son los cuatro pines Vbus (alimentación de bus). La interfaz USB 3.1 utiliza la especificación USB Power Delivery 2.0 para admitir 5 perfiles de alimentación. El más capaz de estos, Power Profile 5, admite 20 V a 5 A o 100 W de potencia con un solo cable. Esta gran capacidad de potencia es un atractivo beneficio para el consumidor que adopta la USB 3.1 Tipo-C, ya que puede cargar más dispositivos y más grandes con mayor rapidez. Estos pines de alimentación tienen sus propios problemas respecto de la ESD. Uno de ellos es la pequeña sobretensión inicial que se produce cuando se carga una batería vacía. Esta sobretensión se produce porque tanto la tensión como la corriente hacen un pico, por lo que se debe considerar la sobretensión adicional (en general llega al 50 % por encima de la tensión nominal). Littelfuse ofrece el SPHV24-01ETG en el paquete 0402 estándar de la industria o el SP24-01WTG-HV en el formato de paquete 0201 estándar. Ambos chips están diseñados para ofrecer protección ESD a través de USB Power Profile 5 (entrega de potencia de 100 W). También ofrecen una línea completa de chips de protección ESD para aplicaciones de Vbus que utilizan los perfiles de potencia más baja.
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Si avanzamos hacia el centro del conector USB Tipo-C, luego de las líneas de Vbus, se encuentran las líneas del canal de configuración (CC1 y CC2) y para uso en banda lateral (SBU1 y SBU2). Estas líneas constituyen un bus de menor velocidad que permite a la USB 3.1 Tipo-C utilizar protocolos alternativos como Thunderbolt o Display Port. Las especificaciones de la USB Tipo-C indican que la orientación del enchufe se determina por un resistor a masa en una de las dos líneas del canal de configuración. Las líneas CC1 y CC2 también permiten una comunicación de menor velocidad, por ejemplo, para enviar Mensajes definidos por el proveedor (VDM) entre el anfitrión y el cliente. Si bien la transmisión a través de los pines del canal de configuración tiene un ancho de banda menor, estos pines aún están expuestos a posibles ESD. Los canales de uso de banda lateral también se emplean en escenarios con ancho de banda más bajo, como por ejemplo para una negociación durante una sesión de Display Port entre anfitrión y cliente. Dado que el canal de configuración y los pines de uso de banda lateral no requieren capacidades de gran ancho de banda de las líneas de bus de alta velocidad, se beneficiarán de la protección ESD unidireccional con capacitancia de rango medio. Littelfuse ofrece las soluciones SP1003-01ETG y SP1006-01UTG para estos pines.
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En el centro del conector USB Tipo-C hay 2 pares de diferenciales que constituyen un bus heredado USB 2.0. No obstante, a diferencia de la USB 2.0, el bus del centro de la USB Tipo-C es una implementación bidireccional. Este bus de alta velocidad requiere su propia protección ESD bidireccional de capacitancia baja, como la que ofrecen los números de pieza SP3022-01WTG o SP3022-01ETG de Littelfuse.
La conexión USB tiene una larga trayectoria probada con los consumidores, lo que garantiza la adopción de la USB 3.1 Tipo-C. Los dispositivos que implementan este estándar ya se están dirigiendo a los estantes de almacenamiento. Muchos de estos dispositivos son móviles y los clientes esperan obtener un producto sólido que pueda resistir el deterioro del bolsillo, el escritorio y el asiento del automóvil. Además, esperan conectar dispositivos con cables que tengan hasta 3 metros de longitud, y se les prometió un conector conveniente que pueda insertarse hacia arriba o hacia abajo. Estas condiciones hacen que un diseño que ofrezca protección ESD sea aún más fundamental. Littelfuse ofrece una línea completa de soluciones ESD para poner a disposición la próxima generación de dispositivos de alta velocidad y potencia.