En 2013, l'USB Implementers Forum a publié deux nouvelles normes d'interface : USB 3.1 et USB Type-C. Ensemble, elles offrent de nombreux avantages par rapport aux interfaces USB précédentes, mais ces atouts demandent une conception minutieuse pour que ces mises à jour puissent être intégrées.
Plus précisément, les modèles compatibles avec l'USB 3.1 Type-C doivent veiller particulièrement à fournir une protection ESD sur les diverses lignes à haut débit et à puissance élevée intégrées dans ces nouvelles interfaces. Ils doivent aussi éviter de sacrifier la bande passante. La gamme de barrettes de diodes de protection ESD renforcée au silicone (SESD) de Littelfuse offre un éventail de solutions adaptées aux défis posés par ce type d'interface série haut débit. Les produits SESD assurent une protection maximale pour un surcroît minime en termes de coûts, de complexité et d'atténuation du système.
L'interface USB 3.1 permet de transférer des données à 10 Gigabits par seconde et, via la norme Power Delivery 2.0, de véhiculer une puissance allant jusqu'à 100 Watts. Ces vitesses permettent de prendre en charge des lecteurs SSD ou des systèmes RAID haut de gamme, voire d'afficher des vidéos en haute résolution. Grâce à sa puissance élevée, l'USB 3.1 permet d'alimenter la plupart des téléphones ou des ordinateurs portables, ainsi que d'autres périphériques. Pour faciliter les connexions, l'interface Type-C supprime l'interconnexion avec détrompeur des interfaces USB antérieures. Toutefois, tout comme les interfaces précédentes, elle prend en charge des longueurs de câble diverses. L'USB 3.1 et l'USB Type-C peuvent être utilisés indépendamment, mais les produits qui regroupent les caractéristiques de ces deux interfaces dans un même port présentent plus d'avantages pour l'utilisateur. Cette association d'un débit et d'une puissance élevés avec un câblage universel simple comble certes tous les désirs des passionnés de technologie, mais pour les concepteurs d'interface, sa mise en œuvre exige une attention toute particulière.
La principale caractéristique de l'USB 3.1 est son taux de transfert de données à haut débit. La capacité de transférer des données à 10 Gbit/s place l'USB 3.1 à égalité avec les contrôleurs Thunderbolt de première génération. Lors de démonstrations techniques, l'USB 3.1 a déjà prouvé qu'il pouvait gérer la même vitesse de transfert de données que les lecteurs SSD.
Pour mieux comprendre comment il est possible d'atteindre cette vitesse élevée, il convient d'examiner la définition du brochage de l'USB Type-C. Sur la figure 1, en partant du bord extérieur vers l'intérieur, les premières broches sur les bords extérieurs du connecteur sont quatre broches de terre. À côté de ces broches de terre se trouvent quatre paires torsadées différentielles agissant comme deux paires ou voies de transmission et de réception chacune. Ces paires différentielles constituent le bus haut débit principal. Chacune de ces voies est capable d'un débit de 5 Gbit/s, mais un seul ensemble de chaque paire de transmission et de réception est activé, ce qui autorise une bande passante maximale globale de 10 Gbit/s.
Toutefois, le câble et les connecteurs ne sont pas les seuls à devoir prendre en charge cette interface ultra-rapide. Les données traversent un réseau entier depuis un circuit imprimé client, via un raccordement, un câble, un autre raccordement et le circuit imprimé hôte. Les lignes de données à haute vitesse sont fortement sensibles aux événements ESD, particulièrement sur les paires de transmission et de réception désactivées ou non utilisées. Bien que ce soit la somme des éléments parasites de ce système complet qui détermine les données maximales possibles pouvant être transmises et reçues sur la bande passante, le facteur essentiel à prendre en compte est la capacité. Les solutions SESD de Littelfuse offrent une protection ESD de très faible capacité, aussi bien dans des configurations unidirectionnelles que bidirectionnelles, pour choisir la conception sans sacrifier ni la protection ESD ni l'intégrité du signal.
La norme USB 3.1 stipule que les bits circulent sous forme de 0 ou 1, sans dépasser zéro volts. La protection unidirectionnelle est donc une solution préférable. La protection bidirectionnelle est une capacité plus faible, et offre donc une option de bande passante potentiellement plus élevée. Il faut toutefois noter que le format de protection bidirectionnelle peut exposer les voies à haute vitesse non actives à des risques de surtension. Littelfuse propose une solution SESD unidirectionnelle pratique (référence n° RF3077-000) fournie dans une configuration à quatre canaux. Cette solution est spécifiquement conçue pour protéger au mieux les voies ultra-rapides USB 3.1, tout en ajoutant seulement 0,2 pF de capacité au budget de conception global. Une autre option consiste à utiliser des solutions unidirectionnelles à un seul canal, proposées dans des configurations à montage en surface standard 0201 ou 0402. Littelfuse offre une protection ESD bidirectionnelle dans les formats discrets SOD-882 et 0201 DFN pour les clients qui privilégient la flexibilité du routage
En allant vers l'intérieur du connecteur, les broches suivantes sont les quatre broches Vbus (alimentation par bus). L'interface USB 3.1 utilise la norme USB Power Delivery 2.0 pour prendre en charge 5 profils d'alimentation. Le plus performant des cinq, le Profil d'alimentation 5, permet de fournir une alimentation de 20 V sous 5 A ou de 100 W via un seul câble. Cette capacité de puissance élevée est un facteur déterminant pour favoriser l'adoption de l'USB 3.1 Type-C, car elle permet de charger des périphériques de plus en plus gros. Ces broches d'alimentation entraînent elles-mêmes des problèmes de décharge électrostatique spécifiques. Il peut s'agir, par exemple, de la faible surtension initiale qui se produit lors du chargement d'une batterie vide. Cette surtension survient sous forme de pics de tension et de courant et doit être prise en compte dans l'évaluation de la surtension (généralement, 50 % de plus que la tension nominale). Littelfuse propose le SPHV24-01ETG au format standard 0402 ou le SP24-01WTG-HV au format standard 0201. Ces deux puces visent à assurer la protection ESD via le profil d'alimentation USB 5 (fourniture d'une alimentation de 100 W). Le fabricant propose également une gamme complète de puces de protection ESD pour les applications Vbus destinées à utiliser les profils d'alimentation faibles.
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Série d'options alimentées par USB
En se rapprochant du centre du connecteur USB Type-C, après les lignes Vbus on trouve les lignes du canal de configuration (CC1 et CC2) et d'utilisation de la bande latérale (SBU1 et SBU2). Ces lignes constituent un bus à faible vitesse qui permet à l'USB 3.1 Type-C d'utiliser d'autres protocoles, tels que Thunderbolt ou Display Port. La norme USB Type-C impose un sens de branchement déterminé par une résistance pull-down sur l'une des deux lignes du canal de configuration. Les lignes CC1 et CC2 permettent également une communication à plus faible vitesse, par exemple, pour envoyer des messages définis par le fournisseur (VDM) entre l'hôte et le client. Bien que la transmission par les broches de canal de configuration se fasse sur une bande passante inférieure, ces broches restent exposées à des risques d'ESD. La bande latérale utilise des canaux servant également dans des situations de bande passante inférieure, comme dans la négociation de sessions de port d'affichage client. Puisque le canal de configuration et la bande latérale n'ont pas besoin de la large bande passante des lignes de bus haut débit, ils utilisent des broches capables d'exploiter une protection ESD unidirectionnelle à capacité moyenne. Pour ces broches, Littelfuse propose les solutions SP1003-01ETG et SP1006-01UTG.
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Au centre du connecteur USB Type-C se trouvent 2 paires différentielles constituant un bus USB 2.0 traditionnel. Toutefois, contrairement à l'USB 2.0 classique, le bus situé au centre de l'USB Type-C présente une configuration bidirectionnelle. Ce bus haut débit exige sa propre protection ESD bidirectionnelle de faible capacité, telle que celle fournie par les références SP3022-01WTG ou SP3022-01ETG de Littelfuse.
L'USB est solidement implanté sur le marché et l'adoption de l'USB 3.1 Type-C ne fait pas de doute. On trouve dès à présent en magasin des appareils qui utilisent cette norme. Beaucoup d'entre eux sont des appareils mobiles et les clients s'attendent à trouver des produits solides, supportant d'être malmenés dans une poche, sur un bureau ou sur le siège d'une voiture. Ils souhaitent en outre pouvoir les connecter avec des câbles pouvant atteindre 3 mètres de long et se sont vus promettre un connecteur pratique pouvant s'insérer dans n'importe quel sens. Ces conditions rendent la conception d'une protection ESD d'autant plus essentielle. Littelfuse propose une gamme complète de solutions ESD compatibles avec les appareils à haute vitesse et à puissance élevée de nouvelle génération.