Protección CEM de aplicaciones USB
Eurofach Electrónica11/01/2016
Jochen Baier, director técnico y marketing en Würth Elektronik eiSos.
La interfaz USB ha revolucionado la conexión de periféricos de PC y cada vez es más popular en aplicaciones industriales, por ejemplo, para la lectura de datos de medición o instalar actualizaciones de firmware en máquinas. Como sistema de bus para la transmisión de datos se puede encontrar en cualquier parte donde haya que conectar dispositivos móviles. Los conectores empleados hoy en día tienen tanto efecto que los desarrolladores de aplicaciones USB no deben pasar por alto la protección de sus interfaces.
Las preocupaciones por la vulnerabilidad de las interfaces USB incluso se expresan en las directivas de Intel "High Speed USB Platform Design Guidelines". Intel recomienda el uso de bobinas de compensación por reactancia para el blindaje CEM y otros componentes para la protección contra descargas electrostáticas. Los sistemas electrónicos están expuestos a descargas electrostáticas. Las descargas electrostáticas o ESD (por sus siglas en inglés) tienen tensiones de hasta 30 kV y, por lo tanto, constituyen un peligro para todo tipo de circuitos integrados. Algunos circuitos integrados actuales son "seguros" contra ESD, pero esta seguridad solo está garantizada para una pequeña parte de los posibles peligros. La práctica diaria muestra que es indispensable contar con protección adicional. Solo con una protección externa se consigue una platina completa sin ESD y se pueden desarrollar productos muy fiables. También es esencial adoptar medidas específicas para el blindaje. Podemos encontrar dispositivos electrónicos conectados de forma inalámbrica en todos los ámbitos de la vida y su uso aumenta progresivamente. Es importante inmunizar nuestros productos frente a interferencias electromagnéticas. Solo los que ya tienen en cuenta las interferencias previstas pueden integrar de inmediato los supresores de interferencias necesarios en el diseño y reducir el tiempo de desarrollo. Asimismo, la emisión de interferencias de los productos no debe superar un determinado nivel. En este sentido, los laboratorios de pruebas de compatibilidad electromagnética se encargan de llevar a cabo valoraciones precisas. Si el producto no pasa la prueba, los costes de la revisión pronto excederán con creces el coste de los supresores de interferencias.
Realmente a prueba de interferencias
En el caso de que el USB esté expuesto a interferencias, la transmisión de datos simétricos proporciona una ventaja significativa con respecto a la línea coaxial simple. Al torcer los cables en caso de una interferencia inductiva (campo magnético), se consigue compensar el efecto de la interferencia. Mediante la simetrización de las inductancias parciales de la respectiva torsión, los efectos de las interferencias se compensan mutuamente. Sin embargo, en la práctica, esta inmunidad también puede verse afectada:
• Las entradas/salidas del controlador USB no son suficientemente simétricas y la señal USB presenta interferencias asimétricas.
• El diseño no es conforme a la compatibilidad electromagnética/alta frecuencia y las capacidades parásitas y la falta de adaptación de impedancias producen perturbaciones asimétricas.
• El diseño del circuito (filtro USB) es deficiente, los filtros influyen en la calidad de la señal y/o la atenuación de inserción es demasiado baja.
• La estructura de interfaz (enchufe, carcasa) es errónea. La masa de tierra deficitaria reduce la efectividad de blindaje del cable. Los filtros tienen una mala relación de masa.
• El cable USB no es simétrico, está mal protegido y tiene una conexión a tierra deficitaria. El cable degrada la calidad de la señal, emite armónicos de la señal y el blindaje es insuficiente frente a interferencias externas.
El problema es que algunos de estos puntos no se pueden modificar, por ejemplo, la realización técnica de un controlador USB adquirido o el uso de cables USB de bajo coste por parte del usuario final. Por lo tanto, se deben tomar medidas preventivas para proteger la interfaz contra la exposición a interferencias externas, lo que podría llevar a la destrucción del controlador USB, y para limitar las interferencias de señales a través del cable.
Selección de los dispositivos de protección
La protección contra descargas electrostáticas se define como: protección contra ESD de acuerdo con EN 61000-4-2, protección contra sobretensiones (surge) de acuerdo con EN 61000-4-5, así como protección contra ráfagas (burst) de acuerdo con EN 61000-4-4. Se emplean diodos supresores de transitorios (TVS) para llevar a cabo estas funciones. Lo importante es que para proteger líneas de datos de alta velocidad, tales como USB contra sobretensiones, se deben elegir TVS y supresores ESD de cerámica con baja capacidad a fin de evitar distorsiones de la señal USB. En este sentido, Würth Elektronik eiSos ha desarrollado componentes optimizados e invisibles para la transmisión de datos. Los diodos TVS con capacidad inferior a 1 pF y los supresores cerámicos ESD con capacidades hasta 0,2 pF son una buena opción para la protección de interfaces USB.
Al seleccionar los componentes se deben plantear varias preguntas: ¿Hay tensión de alimentación para conexiones "rail to rail" (GND < I/O Signal < Vcc)? Esta elección es para un diodo TV. ¿No hay tensión de alimentación o se debe dar preferencia a componentes de cerámica? En este caso hay que seleccionar un diodo TVS en el que pueda flotar el pin VDD o se emplean supresores ESD como la serie WE-VE "ULC" de Würth Elektronik. Más cuestiones: ¿Qué tensión máxima ESD cabe esperar? ¿Se deben proteger una o dos interfaces USB? Si un cable de datos USB se conecta a dos pins I/O del diodo TVS, esto constituye una mejor protección, por lo que es preferible utilizar una serie de diodos TVS.
No olvidar la fuente de alimentación
Para un diseño conforme a CEM integral, también es importante filtrar la fuente de alimentación (VBUS). Muchos desarrolladores descuidan este punto y, al probar el producto en el laboratorio de CEM, se sorprenden de que su producto no supere estas pruebas. Aquí se muestran dos diseños optimizados para una o dos interfaces USB. Con un diodo TVS se pueden proteger dos cables USB. Las cuatro líneas de señal y la fuente de alimentación común están bien protegidas contra descargas electroestáticas. Como una optimización adicional, con una válvula de línea de datos de corriente compensada y los condensadores se pueden fabricar un filtro LC para filtrar las interferencias simétricas y asimétricas en el lado de entrada. En la fuente de alimentación se consigue una supresión excelente con una ferrita SMD de la serie WE-CBF.
Los dispositivos de protección de un canal, tales como supresores de descargas electroestáticas de la serie WE-VE siempre deben conectarse a tierra en la línea de señal. Para proteger la fuente de alimentación no se debe emplear ningún supresor de descarga electrostática de baja capacitancia; en este caso basta con utilizar un varistor SMD normal. De este modo, se absorbe más energía y picos de corriente más altos, por lo que es la primera opción para el diseño.
Diseño recomendado para interfaces USB
Como se observa, las dos líneas de señales diferenciales (D+ y D-) de los conectores son dirigidas al diodo TVS y continúan por la válvula de línea de datos con corriente compensada hasta el controlador USB. El resultado es una excelente protección frente a descargas electrostáticas y un buen blindaje del par de línea de datos. V BUS pasa a través del diodo TVS hacia la ferrita SMD. Tras la ferrita SMD, se puede emplear otro condensador más y otra ferrita SMD con el fin de obtener el efecto de atenuación más alto posible de un filtro PI.
Para circuitos integrados muy sensibles y/o aplicaciones de gran fiabilidad se puede alcanzar una protección ESD optimizada conectando los pins del diodo TVS dos veces (Artículo Nº 824 015). (Figura 4)
Los desarrolladores que prefieren componentes de un solo canal pueden emplear los supresores ESD de la serie WE-VE. Estos siempre se tienen que conmutar de D+/D- a GND. Los otros componentes se interconectan como se muestra aqui.
Conclusión
En el campo de los diseños conforme a CEM, se deberían evitar los riesgos. Especialmente cuando se transfieren datos a través de USB debe ser posible garantizar que las interferencias no pondrán en peligro la integridad del tráfico de datos. La CEM no es algo deseable y tampoco es una cuestión de cumplir normas y reglamentos, sino que es una marca de calidad. A fin de poder descartar los problemas de CEM de forma fiable en el propio diseño, existen componentes adaptados a las condiciones especiales de las líneas de datos rápidas que pueden reducir los esfuerzos de desarrollo y, sobre todo, conseguir mejoras de cara a los resultados críticos de la prueba de CEM.
La interfaz USB ha revolucionado la conexión de periféricos de PC y cada vez es más popular en aplicaciones industriales, por ejemplo, para la lectura de datos de medición o instalar actualizaciones de firmware en máquinas. Como sistema de bus para la transmisión de datos se puede encontrar en cualquier parte donde haya que conectar dispositivos móviles. Los conectores empleados hoy en día tienen tanto efecto que los desarrolladores de aplicaciones USB no deben pasar por alto la protección de sus interfaces.
Las preocupaciones por la vulnerabilidad de las interfaces USB incluso se expresan en las directivas de Intel "High Speed USB Platform Design Guidelines". Intel recomienda el uso de bobinas de compensación por reactancia para el blindaje CEM y otros componentes para la protección contra descargas electrostáticas. Los sistemas electrónicos están expuestos a descargas electrostáticas. Las descargas electrostáticas o ESD (por sus siglas en inglés) tienen tensiones de hasta 30 kV y, por lo tanto, constituyen un peligro para todo tipo de circuitos integrados. Algunos circuitos integrados actuales son "seguros" contra ESD, pero esta seguridad solo está garantizada para una pequeña parte de los posibles peligros. La práctica diaria muestra que es indispensable contar con protección adicional. Solo con una protección externa se consigue una platina completa sin ESD y se pueden desarrollar productos muy fiables. También es esencial adoptar medidas específicas para el blindaje. Podemos encontrar dispositivos electrónicos conectados de forma inalámbrica en todos los ámbitos de la vida y su uso aumenta progresivamente. Es importante inmunizar nuestros productos frente a interferencias electromagnéticas. Solo los que ya tienen en cuenta las interferencias previstas pueden integrar de inmediato los supresores de interferencias necesarios en el diseño y reducir el tiempo de desarrollo. Asimismo, la emisión de interferencias de los productos no debe superar un determinado nivel. En este sentido, los laboratorios de pruebas de compatibilidad electromagnética se encargan de llevar a cabo valoraciones precisas. Si el producto no pasa la prueba, los costes de la revisión pronto excederán con creces el coste de los supresores de interferencias.
Realmente a prueba de interferencias
En el caso de que el USB esté expuesto a interferencias, la transmisión de datos simétricos proporciona una ventaja significativa con respecto a la línea coaxial simple. Al torcer los cables en caso de una interferencia inductiva (campo magnético), se consigue compensar el efecto de la interferencia. Mediante la simetrización de las inductancias parciales de la respectiva torsión, los efectos de las interferencias se compensan mutuamente. Sin embargo, en la práctica, esta inmunidad también puede verse afectada:
• Las entradas/salidas del controlador USB no son suficientemente simétricas y la señal USB presenta interferencias asimétricas.
• El diseño no es conforme a la compatibilidad electromagnética/alta frecuencia y las capacidades parásitas y la falta de adaptación de impedancias producen perturbaciones asimétricas.
• El diseño del circuito (filtro USB) es deficiente, los filtros influyen en la calidad de la señal y/o la atenuación de inserción es demasiado baja.
• La estructura de interfaz (enchufe, carcasa) es errónea. La masa de tierra deficitaria reduce la efectividad de blindaje del cable. Los filtros tienen una mala relación de masa.
• El cable USB no es simétrico, está mal protegido y tiene una conexión a tierra deficitaria. El cable degrada la calidad de la señal, emite armónicos de la señal y el blindaje es insuficiente frente a interferencias externas.
El problema es que algunos de estos puntos no se pueden modificar, por ejemplo, la realización técnica de un controlador USB adquirido o el uso de cables USB de bajo coste por parte del usuario final. Por lo tanto, se deben tomar medidas preventivas para proteger la interfaz contra la exposición a interferencias externas, lo que podría llevar a la destrucción del controlador USB, y para limitar las interferencias de señales a través del cable.
Selección de los dispositivos de protección
La protección contra descargas electrostáticas se define como: protección contra ESD de acuerdo con EN 61000-4-2, protección contra sobretensiones (surge) de acuerdo con EN 61000-4-5, así como protección contra ráfagas (burst) de acuerdo con EN 61000-4-4. Se emplean diodos supresores de transitorios (TVS) para llevar a cabo estas funciones. Lo importante es que para proteger líneas de datos de alta velocidad, tales como USB contra sobretensiones, se deben elegir TVS y supresores ESD de cerámica con baja capacidad a fin de evitar distorsiones de la señal USB. En este sentido, Würth Elektronik eiSos ha desarrollado componentes optimizados e invisibles para la transmisión de datos. Los diodos TVS con capacidad inferior a 1 pF y los supresores cerámicos ESD con capacidades hasta 0,2 pF son una buena opción para la protección de interfaces USB.
Al seleccionar los componentes se deben plantear varias preguntas: ¿Hay tensión de alimentación para conexiones "rail to rail" (GND < I/O Signal < Vcc)? Esta elección es para un diodo TV. ¿No hay tensión de alimentación o se debe dar preferencia a componentes de cerámica? En este caso hay que seleccionar un diodo TVS en el que pueda flotar el pin VDD o se emplean supresores ESD como la serie WE-VE "ULC" de Würth Elektronik. Más cuestiones: ¿Qué tensión máxima ESD cabe esperar? ¿Se deben proteger una o dos interfaces USB? Si un cable de datos USB se conecta a dos pins I/O del diodo TVS, esto constituye una mejor protección, por lo que es preferible utilizar una serie de diodos TVS.
No olvidar la fuente de alimentación
Para un diseño conforme a CEM integral, también es importante filtrar la fuente de alimentación (VBUS). Muchos desarrolladores descuidan este punto y, al probar el producto en el laboratorio de CEM, se sorprenden de que su producto no supere estas pruebas. Aquí se muestran dos diseños optimizados para una o dos interfaces USB. Con un diodo TVS se pueden proteger dos cables USB. Las cuatro líneas de señal y la fuente de alimentación común están bien protegidas contra descargas electroestáticas. Como una optimización adicional, con una válvula de línea de datos de corriente compensada y los condensadores se pueden fabricar un filtro LC para filtrar las interferencias simétricas y asimétricas en el lado de entrada. En la fuente de alimentación se consigue una supresión excelente con una ferrita SMD de la serie WE-CBF.
Los dispositivos de protección de un canal, tales como supresores de descargas electroestáticas de la serie WE-VE siempre deben conectarse a tierra en la línea de señal. Para proteger la fuente de alimentación no se debe emplear ningún supresor de descarga electrostática de baja capacitancia; en este caso basta con utilizar un varistor SMD normal. De este modo, se absorbe más energía y picos de corriente más altos, por lo que es la primera opción para el diseño.
Diseño recomendado para interfaces USB
Como se observa, las dos líneas de señales diferenciales (D+ y D-) de los conectores son dirigidas al diodo TVS y continúan por la válvula de línea de datos con corriente compensada hasta el controlador USB. El resultado es una excelente protección frente a descargas electrostáticas y un buen blindaje del par de línea de datos. V BUS pasa a través del diodo TVS hacia la ferrita SMD. Tras la ferrita SMD, se puede emplear otro condensador más y otra ferrita SMD con el fin de obtener el efecto de atenuación más alto posible de un filtro PI.
Para circuitos integrados muy sensibles y/o aplicaciones de gran fiabilidad se puede alcanzar una protección ESD optimizada conectando los pins del diodo TVS dos veces (Artículo Nº 824 015). (Figura 4)
Los desarrolladores que prefieren componentes de un solo canal pueden emplear los supresores ESD de la serie WE-VE. Estos siempre se tienen que conmutar de D+/D- a GND. Los otros componentes se interconectan como se muestra aqui.
Conclusión
En el campo de los diseños conforme a CEM, se deberían evitar los riesgos. Especialmente cuando se transfieren datos a través de USB debe ser posible garantizar que las interferencias no pondrán en peligro la integridad del tráfico de datos. La CEM no es algo deseable y tampoco es una cuestión de cumplir normas y reglamentos, sino que es una marca de calidad. A fin de poder descartar los problemas de CEM de forma fiable en el propio diseño, existen componentes adaptados a las condiciones especiales de las líneas de datos rápidas que pueden reducir los esfuerzos de desarrollo y, sobre todo, conseguir mejoras de cara a los resultados críticos de la prueba de CEM.
