Nel 2013 l'USB Implementers Forum ha annunciato il rilascio di due nuove interfacce: USB 3.1 e USB Type-C. Complessivamente offrono molti vantaggi rispetto alle prime interfacce USB, ma questi vantaggi necessiteranno di un'attenta progettazione per l'attuazione.
Specificamente, i prodotti che consentono di usare USB 3.1 Type-C devono prestare particolare attenzione per fornire una protezione ESD sulle diverse linee ad alta velocità e ad alta potenza incorporate in queste nuove interfacce. Allo stesso tempo le progettazioni devono garantire che l'ampiezza di banda non venga sacrificata. La linea di array di diodi al silicone per migliorare la protezione ESD di Littelfuse offre una gamma di soluzioni particolarmente adatta per le sfide di questa progettazione di un'interfaccia seriale ad alta velocità. La linea di prodotto SESD fornisce la massima protezione al costo minimo del sistema aggiunto, complessità e attenuazione.
L'interfaccia USB 3.1 consente di trasferire dati fino a 10 Gigabit al secondo e tramite la specifica tecnica USB 2.0 è in grado di trasmettere una potenza fino a 100 watt. Queste velocità sono in grado di supportare SSD di fascia alta, intervalli RAID e persino display ad alta risoluzione. Per capacità ad alta potenza s'intende che USB 3.1 è adatto per caricare la maggior parte dei telefoni cellulari, laptop e altre periferiche. Per rendere i collegamenti più convenienti, l'interfaccia USB Type-C elimina l'interconnessione inchiavettata delle precedenti interfacce USB. Tuttavia, come con le prime interfacce USB, Type-C supporta una varietà di differenti lunghezze dei cavi. USB 3.1 e USB Type-C possono essere usati in modo indipendente, ma i consumatori trarranno il massimo beneficio dai prodotti che possiedono le caratteristiche di entrambe le interfacce in una porta singola. Questa costellazione ad alta velocità e l'erogazione di potenza elevata insieme a un semplice cablaggio universale è come un sogno che si avvera per appassionati di tecnologia, ma ciò significa che ai progettisti di interfacce occorrerà prestare la massima attenzione alle implementazioni.
La caratteristica fondamentale di USB 3.1 è l'elevata velocità di trasferimento dei dati. Consentendo un trasferimento di dati fino a 10 Gbps pone USB 3.1 sullo stesso piano della prima generazione dei controller Thunderbolt. Nelle dimostrazioni tecnologiche USB 3.1 ha già provato di saper gestire il supporto SSD per il trasferimento di dati ad alta velocità.
Per comprendere come si raggiunge questa velocità elevata, è utile guardare alla definizione del pin USB Type-C. Facendo riferimento alla figura 1 e lavorando dal bordo esterno verso l'interno, i primi pin sui bordi esterni del connettore sono quattro pin di terra. Accanto ai pin di terra ci sono quattro doppini differenziali incrociati, che fungono da due coppie o canali trasmittenti e riceventi. Questi doppini differenziali rappresentano il bus primario ad alta velocità. Ognuno di questi canali ha una capacità di 5 Gbps; tuttavia, soltanto una serie di ciascuna coppia trasmittente e ricevente è abilitata, determinando una larghezza di banda massima di 10 Gbps.
Tuttavia, non sono solo il cavo e i connettori che devono supportare questa interfaccia ad alta velocità. I dati attraversano l'intera rete partendo dal cliente PCB, attraverso un connettore, fino ad un cavo, attraverso un altro connettore e l'ospite PCB. Le linee dei dati ad alta velocità sono molto sensibili agli eventi ESD, specialmente con coppie disabilitate o che non sono in grado di eseguire la trasmissione e ricezione di dati. Sebbene corrisponda alla somma degli elementi parassiti del sistema completo che imporrà l'ampiezza di banda massima con la quale si possono trasmettere e ricevere i dati, il fattore di preoccupazione principale è la capacità. Le soluzioni SESD di Littelfuse offrono una protezione ESD extra a bassa capacità nelle configurazioni unidirezionali o bidirezionali per offrire una scelta progettuale, senza sacrificare la protezione ESD e l'integrità dei segnali.
La specifica tecnica di USB 3.1 richiede che il flusso dei bit sia a 0 o a 1, senza attraversare il livello a zero Volt. In quanto tale, la protezione unidirezionale è la soluzione preferita. La protezione bidirezionale ha una capacità inferiore e, pertanto, una possibilità di ampiezza della banda potenzialmente maggiore. Tuttavia, è importante notare che il formato di protezione bidirezionale può esporre i canali ad alta velocità non performanti ai potenziali problemi causati dalla sovratensione. Littelfuse offre una conveniente serie SESD unidirezionale (numero componente RF3077-000) dotata di una configurazione di quattro canali. Questa soluzione è stata appositamente studiata per fornire un'ottimale protezione per i canali USB 3.1 ad alta velocità, aggiungendo soltanto una capacità di 0,2 pF al budget di progetto complessivo. Un'altra opzione è quella di usare soluzioni unidirezionali a canale singolo sono disponibili nelle configurazioni dello standard industriale 0201 o del montaggio in superficie 0402. Littelfuse offre una protezione ESD bidirezionale in formati discreti SOD-882 e formati 0201 DFN per i clienti che valutano il meccanismo flessibile di routing
Continuando a lavorare all'interno del connettore, i pin successivi che si trovano sono i quattro pin Vbus (potenza del bus). L'interfaccia USB 3.1 utilizza la specifica tecnica USB 2.0 per supportare 5 profili di alimentazione. Quello con la massima capacità, il profilo di alimentazione 5 consente una potenza di 20 V a 5 A o 100 W su un singolo cavo. Questa capacità ad alta potenza è un vantaggio interessante per l'adozione da parte dei consumatori di USB 3.1 Type-C, consentendo una ricarica più veloce di più apparecchi e più grandi. Questi pin di potenza si portano dietro i problemi ESD. Uno di questi problemi è dato dal piccolo impulso iniziale che si ha quando si ricarica un pacco batteria vuoto. Questo impulso si verifica sia in caso di picchi di tensione che di corrente e si dovrà tenere conto dell'ulteriore sovratensione (normalmente maggiore al 50% della tensione nominale). Littelfuse offre SPHV24-01ETG nel pacchetto dello standard industriale 0402 o SP24-01WTG-HV nel formato del pacchetto standard 0201. Entrambi questi chip sono stati progettati per offrire una protezione ESD attraverso il profilo di alimentazione USB 5 (100 W di potenza erogata). Questi offrono anche una serie completa di chip di protezione ESD per applicazioni Vbus per chi intende usare profili con potenza inferiore.
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Continuando a lavorare verso il centro del connettore USB Type-C, seguendo le linee Vbus si trovano le linee del Canale di configurazione (CC1 e CC2) che utilizzano una banda laterale (SBU1 e SBU2) . Queste linee rappresentano un bus a velocità inferiore che consente a USB 3.1 Type-C di utilizzare protocolli alternativi, quali la porta Thunderbolt o Display Port. La specifica tecnica USB Type-C prescrive che l'orientamento della spina sia determinato da un resistore di pull-down su una delle due linee di configurazione del canale. Le linee CC1 e CC2 consentono anche una comunicazione a velocità inferiore, per esempio, di inviare Messaggi Definiti dal Venditore (VDM) tra l'ospite e il cliente. Anche se la trasmissione attraverso i pin per la configurazione dei canali usa un'ampiezza di banda inferiore, questi pin sono ancora esposti ai potenziali problemi causati da ESD. I canali che utilizzano una banda laterale vengono usati anche in scenari della banda laterale inferiore, come nel caso di una sessione di negoziazione con una porta display tra l'ospite e il cliente. Poiché la configurazione di canale e i pin che utilizzano una banda laterale non richiedono capacità ad elevata ampiezza di banda delle linee bus ad alta velocità, la configurazione di canale e i pin che utilizzano una banda laterale trarranno vantaggio dalla capacità di media portata e dalla protezione ESD unidirezionale. Littelfuse offre le soluzioni SP1003-01ETG e SP1006-01UTG per questi pin.
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Al centro di questo connettore USB Type-C sono 2 le coppie differenziali che costituiscono un bus USB 2.0 antiquato, ma ancora in uso. Tuttavia, a differenza del tradizionale USB 2.0, il bus al centro di USB Type-C ha un'implementazione bidirezionale. Questo bus ad alta velocità richiede una bassa capacità, una protezione ESD bidirezionale come quella offerta dai numeri di identificazione del componente SP3022-01WTG o SP3022-01ETG di Littelfuse.
USB ha un consolidato track record con i consumatori, garantendo che l'adozione di USB 3.1 Type-C sia sicura. Già gli apparecchi stanno prendendo piede sugli scaffali dei negozi che adottano questo standard. Molti di questi dispositivi sono mobili e i clienti si aspettano un prodotto robusto che possa resistere al consumo della tasca, della scrivania e del sedile. Inoltre, ci si aspetta di collegare gli apparecchi con cavi che possono avere una lunghezza fino a 3 metri ed è stato promesso un connettore conveniente che può essere inserito in configurazioni sul lato destro in alto o al contrario. Queste condizioni rendono più difficile la progettazione della protezione ESD. Littelfuse offre una linea completa di soluzioni ESD per consentire di realizzare la prossima generazione di apparecchi ad alta velocità e ad alta potenza.