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Jun 12, 2023

Integridade do sinal TDK TVS para USB4® e Thunderbolt® 4

Dispositivos periféricos usando USB são amplamente utilizados e seus conectores podem ser

Dispositivos periféricos usando USB são amplamente utilizados e seus conectores podem ser expostos ao fenômeno ambiental de Descarga Eletrostática (ESD). Isso pode causar danos a circuitos eletrônicos sensíveis dentro dos dispositivos portáteis. A abordagem padrão para esse problema é adicionar componentes de proteção internos, que suprimem os níveis de tensão mais altos e potencialmente prejudiciais abaixo dos níveis limite dos ICs, redirecionando as sobrecorrentes para longe dos ICs sensíveis e absorvendo a energia fornecida. Esses dispositivos de proteção devem ser invisíveis ao circuito durante a operação regular e não devem prejudicar o sinal de comunicação nas linhas que estão sendo protegidas. Ao contrário do USB 2.0 e das gerações subsequentes até o USB 3.2, que estão no mercado há muito tempo e foram desenvolvidos separadamente de outros protocolos, o USB4® e o Thunderbolt 3 seguem a mesma "especificação de teste de conformidade elétrica USB4". Do ponto de vista da frequência do sinal, os sinais Thunderbolt 3 e Thunderbolt 4 são os mesmos. A solução de proteção ESD, portanto, também é a mesma. Na prática, isso significa que as soluções de proteção ESD projetadas para um desses protocolos podem ser utilizadas para o outro desde que a frequência utilizada na linha de comunicação seja a mesma.

O USB4 Implementers Forum (USB-IF) trabalhou no protocolo mais recente com o objetivo de oferecer exibição, dados e funcionalidade de carregamento/armazenamento por meio de um único conector USB4 Type-C®, mantendo a compatibilidade com o ecossistema USB existente, incluindo o compatibilidade com produtos Thunderbolt® através do conector USB4 Type-C, que também suporta sistemas Thunderbolt 4 (TBT4) no modo Alt [ref: www.usb.org]. Este conector tem sido amplamente aceito devido ao fato de ser conectável invertida, o que foi conseguido fazendo pinos de espelhamento em ambos os lados do conector. Esses pinos devem ser conectados com proteção ESD adequada, pois podem ser facilmente expostos a um evento ESD no uso diário.

A figura abaixo mostra a disposição dos 24 pinos usados ​​no plug USB-C. A melhor prática é colocar a proteção ESD o mais próximo possível da origem do evento transitório, ou seja, do conector. Isso significa que são necessários dispositivos supressores de sobretensão miniaturizados que não ocupem muito espaço e ainda ofereçam proteção suficiente. Dos 24 pinos conectores descritos abaixo, quatro são usados ​​para conexão de aterramento e não requerem proteção. Interface do receptáculo [ref: www.usb.org]

Devido ao design reversível da ponta do plugue USB tipo C e à redundância dos pinos D+ e D- nas laterais, 18 pinos são conectados. O D-/D+ são os pinos usados ​​para conectar o diferencial USB 2.0 + e – par. Portanto, é suficiente que o lado do receptáculo suporte ambos os pinos do par diferencial USB 2.0 (colocados acima e na linha abaixo), enquanto a orientação do plugue determina qual par estará ativo.

GND – marcado como retorno de terra, são todos os pinos de retorno de terra conectados no PCB. Os pinos Tx e Rx são usados ​​para dados de alta velocidade, e a proteção desses pinos deve ser escolhida com cuidado, considerando a integridade do sinal nessas linhas.

VBUS – pino de alimentação do barramento, suportando tensões e correntes mais altas, permite carregamento rápido por meio desses pinos. A tensão nominal nos pinos do barramento é de até 20 V e as correntes de até 5 A, para uma potência máxima de 100 W.

Além das vantagens da porta USB Type-C mencionadas anteriormente, um protocolo USB PD (Power Delivery) permite carregamento rápido de dispositivos finais e mais flexibilidade para o usuário final. A tensão especificada para o USB PD é de até 48 V e está disponível para uso em combinação com um cabo Extended Power Range (EPR) [ref: "USB Type-C Cable Connector Specification", outubro de 2022] conforme mostrado abaixo:

Notas 1: Enquanto a especificação USB BC 1.2 permite que um provedor de energia seja projetado para suportar um nível de energia entre 0,5 A e 1,5 A, a especificação USB Type-C exige que uma porta de origem compatível com USB BC 1.2 tenha capacidade mínima para fornecendo 1,5 A e anunciando USB Type-C Current @ 1,5 A, além de oferecer suporte à terminação do provedor de energia USB BC 1.2.