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Sep 12, 2023

USB4® および Thunderbolt® 4 の TDK TVS シグナルインテグリティ

Le periferiche che utilizzano USB sono ampiamente utilizzate e i loro connettori lo sono

USB を使用する周辺機器は広く使用されており、そのコネクタは静電気放電 (ESD) という環境現象にさらされる可能性があります。 これにより、ポータブル デバイス内の敏感な電子回路が損傷する可能性があります。 この問題に対する標準的なアプローチは、内部に保護コンポーネントを追加することです。これは、過電流の方向を敏感な IC から遠ざけ、供給されるエネルギーを吸収することによって、IC のしきい値レベルを下回る、より高く潜在的に損傷を与える可能性のある電圧レベルを抑制します。 これらの保護デバイスは、通常の動作中に回路から見えないようにする必要があり、保護されている回線上の通信信号を損なうものであってはなりません。 長い間市場に出回っており、他のプロトコルとは別に開発されてきた USB 2.0 およびその後の世代の USB 3.2 とは異なり、USB4® と Thunderbolt 3 は同じ「USB4 電気的適合性テスト仕様」に従っています。 信号周波数の観点から見ると、Thunderbolt 3 信号と Thunderbolt 4 信号は同じです。 したがって、ESD 保護ソリューションも同様です。 実際には、これは、通信回線で使用される周波数が同じであるため、これらのプロトコルの一方用に設計された ESD 保護ソリューションをもう一方のプロトコルにも使用できることを意味します。

USB4 Implementers Forum (USB-IF) は、単一の USB4 Type-C® コネクタを介して表示、データ、ロード/ストア機能を提供しながら、既存の USB エコシステムとの互換性を維持することを目的として、最新のプロトコルに取り組んできました。 USB4 Type-C コネクタを介した Thunderbolt® 製品との互換性。Alt モードの Thunderbolt 4 (TBT4) システムもサポートします [参照: www.usb.org]。 このコネクタは、コネクタの両側にミラーリング ピンを作成することにより、反転して差し込み可能であるという便利な事実により、広く受け入れられています。 これらのピンは、日常使用で簡単に ESD イベントにさらされる可能性があるため、適切な ESD 保護を備えて接続する必要があります。

以下の図は、USB-C プラグで使用される 24 個のピンの配置を示しています。 ベストプラクティスは、過渡現象の発生源、つまりコネクタのできるだけ近くに ESD 保護を配置することです。 これは、スペースをあまりとらず、十分な保護を提供する小型の過電圧抑制装置が必要であることを意味します。 以下に示す 24 個のコネクタ ピンのうち、4 個はアース接続に使用されており、保護は必要ありません。 レセプタクル インターフェイス [参照: www.usb.org]

USB Type-Cプラグチップのリバーシブル設計と側面のD+ピンとD-ピンの冗長化により、18ピンが接続されます。 D-/D+ は、USB 2.0 差動 + および – ペアの接続に使用されるピンです。 したがって、レセプタクル側が両方の USB 2.0 差動ペア ピン (上下の列に配置) をサポートしていれば十分ですが、プラグの方向によってどのペアがアクティブになるかが決まります。

GND – グランド リターンとマークされているのは、PCB 上に接続されているすべてのグランド リターン ピンです。 Tx ピンと Rx ピンは高速データに使用されるため、このようなピンの保護は、これらのライン上の信号の完全性を考慮して慎重に選択する必要があります。

VBUS – バス電源ピンは、より高い電圧と電流をサポートしており、これらのピンを介して高速充電が可能です。 バス ピンの定格電圧は最大 20 V、電流は最大 5 A、最大電力は 100 W です。

前述の USB Type-C ポートの利点に加えて、USB PD (Power Delivery) プロトコルにより、エンド デバイスの高速充電が可能になり、エンド ユーザーの柔軟性が高まります。 USB PD に指定された電圧は最大 48 V で、以下に示すように Extended Power Range (EPR) ケーブルと組み合わせて使用​​できます [参照:「USB Type-C ケーブル コネクタの仕様」、2022 年 10 月]。

注 1: USB BC 1.2 仕様では、電源プロバイダーが 0.5 A ～ 1.5 A の電力レベルをサポートするように設計できるのに対し、USB Type-C 仕様では、USB BC 1.2 をサポートするソース ポートが少なくともUSB BC 1.2 電源プロバイダー終端をサポートすることに加えて、1.5 A を供給し、USB Type-C 電流 @ 1.5 A をアドバタイズします。

CC – 構成チャネル ピンと SBU – サイドバンド使用ピンは、接続構成を検出し、HDMI プロトコルなどの代替 (Alt) モードでサポートされている他のプロトコルで Type-C コネクタを追加使用するために使用されます。 [参照:USB.org]。 VBUS ピンと差動ピン (上図の D+ と D-) とともに、これらのピンはいわゆる低速信号ライン ピンであり、Tx/Rx ピンは高速通信ラインに接続されます。 この USB4 Type-C コネクタは、欧州連合の充電器用の「万能」周辺機器コネクタとなるために選ばれたコネクタでもあります。 新しい無線機器指令により、欧州議会は充電ポートと急速充電技術の調和を強制します。 通常の立法手続き（共同決定）に従って欧州議会と理事会によって適応された後、EU諸国の標準充電器となるまでに24か月の移行期間があります。 [参照: https://ec.europa.eu/commission/presscorner/detail/en/IP_21_4613 ]。 USB と充電に関するさらなる標準化は、IEC 62680-1-2、第 5 版: 2021「データおよび電源用ユニバーサル シリアル バス インターフェイス パート 1-2: 共通コンポーネント - USB 電源供給仕様」および IEC 63002、第 5 版: 2021 に記載されています。 2: 2021 「コンピューティングおよび家電機器で使用される外部電源の相互運用性仕様および通信方法」 TDK が最近発表した TVS 過渡電圧抑制ダイオードは、上記のアプリケーション要件に適合するように設計されています。 高速 Tx/Rx ピンの保護には、特に慎重に選択された ESD デバイスが必要です。これは、このサプレッサーが ESD 過渡現象に対して堅牢な過電圧保護を提供する必要があるだけでなく、通常の動作中にそれらのライン上の信号を損なうこともあってはならないためです。 この信号に使用されるデータ レートは、2 つのペアを介して、USB4 20 Gbps の場合は最大 20 Gb/s、USB4 40 Gbps の場合は最大 40 Gb/s になります。 これは、それぞれ 1 回線で最大 10 Gb/秒のデータ レートと最大 20 Gb/秒のデータ レートを意味します。 これらのデータ レートに対応する周波数は、データ レートを半分にすることで大まかに計算されます。 したがって、このナイキスト周波数は、次の表に示すように、USB4 で使用される 40 Gbps データ レートの場合は 10 GHz、より遅い 20 Gbps データ レートの場合は 5 GHz になります。

データラインに並列に接続された ESD コンポーネントは、必然的にある程度の挿入損失、つまり信号品質の劣化を伴います。 コンポーネントが信号に与える影響の程度は、対応する信号のアイ ダイアグラムを使用して確認できます。 コンポーネントによって信号が劣化しないことを確認するためのベスト プラクティスは、測定を行って評価することです。 テストは、標準化された回路を使用して、コンポーネントを備えたフィクスチャとコンポーネントを備えていないフィクスチャで記録された信号テストのアイ ダイアグラムを比較して実行する必要があります。 HF 信号を扱うように設計された 2 つの同一のボードを準備する必要があります。 以下の図に示すように、1 つは ESD コンポーネントが実装されており、もう 1 つはコンポーネントが実装されていません。

次に、同じテスト信号による測定値を比較する必要があります。 TDK ULC TVS ダイオードは USB 3.2 信号を使用してテストされ、測定は USB 3.2 信号テストとアイ ダイアグラムの認定を受けた USB 認定の外部ラボである Eurofins デジタル テスト ラボによって、以下に提供されるそれぞれの信号マスクを使用して実行されます。

TVS0016-WE用「デバイス付き」

TVS0015-VEの「デバイスなし」

完全な認定済み USB 3.2 Gen.2 準拠テスト レポートは、ご要望に応じて入手可能です。

テストは、ロング チャネル テストという最悪のシナリオに基づいて実行されます。 テストは、標準 B レセプタクル、ケーブル長 3 m、仕様に従って追加の PCB トレースを使用して実行されます。 Micro-B および Type-C 製品を備えたホストとデバイスにとって最悪のチャネルの選択に基づくテストも行われます。 ULC ファミリの両方の TDK TVS ダイオードは、上記のようにテストおよび評価されており、すべてのテストに合格しています。 保護コンポーネントが USB 3.2 信号のテストに合格した場合、これは、それらのコンポーネントが、ライン上で必要な他のコンポーネントに対して十分なマージンを備えた高データ レート信号のラインを保護するのに適した選択肢であることを意味しますが、より低いデータ レートにも対応します。 TDK ULC TVS ダイオードは、USB4 信号を使用してもテストされます。 これらのテストでは同じアプローチが採用されており、アイ ダイアグラムを以下に示します。

アイ回復 - 3.133[ps]の遅延

アイ回復 - 3.133[ps]の遅延

アイ回復 - -0.392[ps]の遅延

アイ回復 - 遅延 -1.762[ps]

ここで、ポイント TP2 と TP3 は USB 仕様で次のように指定されています。

上図の TP2 ポイントと TP3 ポイントの間には、組み込み USB-C コネクタ (S パラメータでシミュレート) とパッシブ ケーブル (ケーブルの想定長さは 10 Gbps で 2 m、20 Gbps のレートでは 0.8 m) があります。 [参照: www.usb.org]。 上記のテストおよびアイ ダイアグラム測定に使用されるテスト信号は公称信号です。 コンポーネントありとなしのボードの 2 つの測定値を比較すると、ジッター値がわずかに増加するなど、最小限の違いのみが観察されます。 テスト結果は、TDK TVS ESD コンポーネントがテストされたすべての信号に対してクリアなパスを持っていることを示しています。 TDK は、USB 3.2 10 G および USB4 20 G および 40 G 信号と互換性のある堅牢な TVS ESD 保護ダイオードを提供しています。 ご要望に応じて、参照部品の USB 3.2 信号および USB4 のテスト レポートを入手できます。 USB 3.2 および USB4 40 G 信号と互換性のある TDK TVS ESD 保護ダイオードは、スペースに制約のあるアプリケーション向けに、小容量の 2 つのサイズが用意されています。 EIA (Electronic Industries Alliance) のサイズ 0201 の SD0201SL-ULC101、「ウェーハ レベル チップ スケール」(WL-CSP) パッケージングの定義である過渡電圧サプレッサー – TVS (SD0201SL-ULC101) およびサイズ 01005 の SD01005SL-ULC101。 WL-CSP パッケージの EIA 過渡電圧サプレッサー – TVS (SD01005SL-ULC101)。 どちらのダイオードも、パッド レイアウトによって与えられる PCB スペースをほとんど消費せず、さらに、高さが 100 µm に低減された薄型パッケージにより、その体積も最小限に抑えられます。 これは、利用可能なスペースがあまりないアプリケーションに最適です。 ESD 保護は一般に、保護される回路と並列にコンポーネントを配置することによって実現され、IC を保護するためにライン上のどこにでも配置できます。 推奨されるアプローチは、サプレッサーをコネクタの近くに配置し、外乱源にできるだけ近づけて接続することです。 このようにして、発生する可能性のある寄生誘導性が最小限に抑えられます。 考えられる過渡現象の発生源から見て、ESD コンポーネントの背後に取り付けられたすべてのコンポーネントも保護されます。 さらに、リードレスパッケージを使用することにより、ピンの寄生誘導性も排除されます。 したがって、SMD ESD 保護デバイスは、説明したアプリケーションにとって非常に有利です。 ダイオードは高速に動作し、ESD デバイス向けの小型パッケージ SMD WL-CSP パッケージの利点は明らかです。 信号経路を見ると、信号劣化を引き起こす可能性のある挿入損失の原因が多数考えられます。 これには、チョーク、CMC、コンデンサ、ケーブル、プラグ、コネクタなどが含まれます。信号ラインのすべての部品は、何らかの形で信号に影響を与えます。 ESD コンポーネントは、IC を過電圧過渡現象から保護するために不可欠であるため、この機能の重要な部分です。 最悪のシナリオのアイ ダイアグラムを示す図を見ると、マージンが観察できます (下の紫色の括弧でマーク)。 このマージンは、ESD コンポーネントによってすでに導入されている損失とは別に、ラインに沿って追加の挿入損失を導入するコンポーネントに開発者が自由に使用できるものです。B74111U0033M060_TVS01005SL データシート

USB4 と Thunderbolt 4 はどちらも同じ「USB4 電気的適合性テスト仕様」に従っているため、テスト結果は Thunderbolt 信号を伝送する回線にも適用できます。

上記で説明した USB Type-C コネクタのピンの完全なソリューション保護は次のとおりです。

USB Type-Cコネクタのピン

対応するデータシートは、このリンクから入手できます。 過渡電圧サプレッサー TVS – ICT、民生用および高速アプリケーション向けの高性能 TVS ダイオード。 結論として、TDK TVS ダイオードは最先端の USB ESD 保護を提供し、敏感な IC に優れた保護を提供し、USB Type-C ポート ピンやその他のアプリケーションに合わせて保護するように設計されています。 TDK TVSダイオードは、その小型サイズと高さにより占有スペースを最小限に抑え、テストしたところ、USBプロトコルやその他の高データレートプロトコルなどの高データレートの信号を妨げることなく、保護時に低いクランプ電圧レベルを維持します。

USB 4.0 仕様の詳細については、www.usb.org を参照してください。USB4®、USB Type-C®、および USB-C® は、USB Implementers Forum (USB-IF) の登録商標です。 Thunderbolt® は Apple Inc. の登録商標です。