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Störschutz Wie sich USB-Schnittstellen wirkungsvoll schützen lassen

| Autor / Redakteur: Jochen Baier * / Rainer Graefen

Die USB-Schnittstelle wird auch in industriellen Anwendungen immer beliebter. Dabei darf allerdings der EMI- und ESD-Schutz keinesfalls vernachlässigt werden. Wir verraten Ihnen, worauf es konkret ankommt.

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Eine USB-Buchse: wirkungsvoll geschützt von einem integrierten EMI- und ESD-Filter
Eine USB-Buchse: wirkungsvoll geschützt von einem integrierten EMI- und ESD-Filter
(Bild: Würth Elektronik eiSos)

Die USB-Schnittstelle hat den Anschluss von PC-Peripheriegeräten revolutioniert und wird auch in industriellen Anwendungen immer beliebter, beispielsweise beim Auslesen von Messdaten oder Einspielen von Software-Updates an Maschinen. Als Bus-System für die Datenübertragung findet es sich überall dort, wo mobile Geräte angeschlossen werden müssen. So robust die alltäglich verwendeten Stecker auch wirken, wer USB-Anwendungen entwickelt, darf den Schutz seiner Schnittstelle trotzdem nicht vernachlässigen.

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Bedenken bezüglich der Anfälligkeit von USB-Schnittstellen werden sogar in Intels „High Speed USB Platform Design Guidelines“ genannt. Intel empfiehlt den Einsatz von stromkompensierten Drosseln zum Sicherstellen der EMV und weitere Komponenten für den Schutz gegen elektrostatische Entladung. Elektronik ist elektrostatischer Entladung ausgesetzt. ESD-Impulse haben Spannungen bis zu 30 kV und werden damit allen Arten von integrierten Schaltkreisen gefährlich. Manche aktuellen ICs sind gegen ESD „sicher“, doch wird diese Sicherheit nur für einen schmalen Ausschnitt der möglichen Gefährdungen garantiert.

Ein zusätzlicher Schutz ist in der Praxis unverzichtbar

Die tägliche Praxis zeigt: Ein zusätzlicher Schutz ist unverzichtbar. Nur mit einem externen Schutz bekommt man die komplette Platine ESD-frei und kann hochzuverlässige Produkte entwickeln. Ebenfalls unerlässlich sind dedizierte Maßnahmen zur Entstörung. Drahtlos verbundene elektronische Geräte finden sich in allen Lebensbereichen und es werden ständig mehr.

Es ist wichtig, die eigenen Produkte immun gegen Störeinstrahlungen zu machen. Nur wer bereits jetzt die erwarteten Störeinflüsse berücksichtigt, kann die erforderlichen Entstörbauteile sofort in das Design einbauen und die Entwicklungszeit reduzieren. Auch die Störausstrahlung des eigenen Produktes darf bekanntlich einen gewissen Pegel nicht überschreiten. Dies wird von EMV-Testlaboren sehr genau bewertet. Wenn das Produkt bei diesem Test durchfällt, werden die Kosten für die Überarbeitung die Kosten der Entstörbauteile sehr schnell um ein Vielfaches übersteigen.

Warum es stört

Für den Fall der Einwirkung von Störungen auf den USB bietet die symmetrische Datenübertragung einen wesentlichen Vorteil gegenüber der einfachen Koaxialleitung. Durch die Verdrillung der Adern wird im Falle der induktiven Störeinwirkung (Magnetfeld) eine Kompensation der Störeinwirkung erreicht. Mit der Symmetrisierung der Teilinduktivitäten der jeweiligen Verdrillung kompensieren sich die Störbeeinflussungen gegeneinander. In der Praxis kann diese Störfestigkeit aber beeinträchtigt werden:

  • Die Aus-/Eingänge des USB-Controllers sind nicht genügend symmetrisch, das USB-Signal weist asymmetrische Störungen auf.
  • Das Layout ist nicht HF-/EMV-gerecht, parasitäre Kapazitäten und fehlende Wellenwiderstandsanpassung erzeugen asymmetrische Störungen.
  • Das Schaltungsdesign (USB-Filter) ist mangelhaft, die Filter beeinflussen die Signalqualität und/oder die Einfügungsdämpfung ist zu niedrig.
  • Die Schnittstellenkonstruktion (Buchse, Gehäuse) ist mangelhaft. Schlechte Masse reduziert die Schirmdämpfung des Kabels. Filter haben schlechten Massebezug.
  • Das USB-Kabel ist unsymmetrisch, schlecht geschirmt und hat einen mangelhaften Masseanschluss. Das Kabel verschlechtert die Signalqualität, strahlt Signalharmonische ab und weist ungenügende Schirmdämpfung gegenüber Fremdstörern auf.

Das Problem: Einige dieser Punkte können nicht beeinflusst werden – beispielsweise die technische Realisierung eines zugekauften USB-Controllers oder die Verwendung von billigen USB-Kabeln beim Endanwender. Deshalb müssen Präventivmaßnahmen getroffen werden, um die Schnittstelle vor Einwirkung von Fremdstörungen zu schützen, die zur Zerstörung des USB-Controllers führen könnten, und um Störabstrahlungen von Signalen über das Kabel zu begrenzen.

Worauf es bei der Auswahl der Schutzbausteine ankommt

Der Schutz vor elektrostatischer Entladung ist definiert als: Schutz gegen ESD-Impulse gemäß EN 61000-4-2, Schutz gegen Surge-Impulse gemäß EN 61000-4-5 sowie Schutz gegen Burst-Impulse gemäß EN 61000-4-4. Transient-Voltage-Suppressor-Dioden (TVS) müssen diese Funktionen erfüllen. Wichtig hierbei: Um schnelle Datenleitungen wie USB vor Überspannung zu schützen, sollten TVS und keramische ESD-Suppressoren mit niedriger Kapazität gewählt werden, damit es nicht zu Verzerrungen des USB-Signals kommt.

So hat Würth Elektronik eiSos Bauelemente entwickelt, die genau hierauf optimiert und auf der Datenleitung unsichtbar sind. TVS-Dioden mit Kapazitäten unter 1 pF und keramische ESD-Suppressoren mit Kapazitäten bis zu 0,2 pF sind für die Absicherung von USB-Schnittstellen eine gute Wahl.

Bei der Auswahl der Bauteile muss man sich einige Fragen stellen: Gibt es eine Versorgungspannung für „Rail to Rail“-Verschaltungen (GND < I/O-Signal < Vcc)? Die Wahl fällt auf eine TVS-Diode. Gibt es keine Versorgungsspannung oder sollen keramische Bauteile bevorzugt werden? In diesem Fall muss man eine TVS-Diode auswählen, bei der der VDD-Pin floaten kann, oder man setzt ESD Suppressoren ein wie die WE-VE „ULC“ Serie von Würth Elektronik. Weitere Fragen: Welche maximale ESD-Spannung wird erwartet? Sollen ein oder zwei USB-Schnittstellen geschützt werden?

Ein TVS-Diodenarray ist die bessere Wahl

Wird eine USB-Datenleitung an zwei I/O-Pins der TVS-Diode angeschlossen, ergibt dies übrigens immer einen besseren Schutz, weshalb man ein TVS-Dioden-Array bevorzugt einsetzen sollte. Für ein umfassend EMV-gerechtes Design ist es wichtig, auch die Spannungsversorgung (VBUS) zu befiltern.

Viele Entwickler vernachlässigen diesen Punkt und wundern sich beim Test im EMV-Labor, wenn ihr Produkt die Tests nicht besteht. Zwei optimierte Designs für eine beziehungsweise zwei USB-Schnittstellen werden hier gezeigt. Mit einer TVS-Diode können zwei USB-Leitungen geschützt werden. Alle vier Signalleitungen sowie die gemeinsame Spannungsversorgung sind gut gegen ESD geschützt.

Als weitere Optimierung wird mit einer stromkompensierten Datenleitungsdrossel und den Kondensatoren ein LC-Filter aufgebaut, um eingangsseitig vorliegende Gleich- und Gegentaktstörungen zu filtern. Auf der Spannungsversorgung wird mit einem SMD-Ferrit der WE-CBF-Serie eine hervorragende Entstörung erreicht (Bild 1).

Einkanal-Schutzbausteine wie die ESD-Suppressor-Serie WE-VE müssen immer von der Signalleitung gegen Masse geschaltet werden. Zum Schutz der Spannungsversorgung muss kein niederkapazitiver ESD-Suppressor verwendet werden, hier reicht ein normaler SMD-Varistor völlig aus. Dieser kann höhere Energien und höhere Spitzenströme absorbieren und ist damit erste Wahl beim Design (Bild 2).

Empfohlenes Layout für USB-Schnittstellen

Wie auf Bild 3 zu sehen, werden die zwei Differenzsignalleitungen (D+ und D-) vom Steckverbinder zur TVS-Diode geführt und weiter über die stromkompensierte Datenleitungsdrossel zum USB-Controller. Als Ergebnis erhält man einen hervorragenden ESD-Schutz sowie eine gute Entstörung des Datenleitungspaares. VBUS wird über die TVS-Diode zum SMD-Ferrit geführt. Nach dem SMD-Ferrit kann ein zusätzlicher Kondensator sowie ein weiterer SMD-Ferrit eingesetzt werden, um die höchstmögliche Dämpfungswirkung eines PI-Filters zu erzielen.

Für sehr empfindliche ICs und/oder hochzuverlässige Entwicklungen kann ein optimierter ESD-Schutz erreicht werden, indem die Pins der TVS-Diode (Art.-Nr. 824 015) doppelt kontaktiert werden (Bild 4).

Entwickler, die Einkanal-Schutzelemente bevorzugen, können die ESD-Suppressor-Serie WE-VE verwenden. Diese müssen immer von D+/D- nach GND geschalten werden. Die anderen Bauteile werden wie hier gezeigt verschalten (Bild 5).

Warum ein EMV-gemäßes Design so wichtig ist

Im Bereich des EMV-gemäßen Designs sollten Risiken vermieden werden. Gerade bei der Datenübertragung via USB muss ausgeschlossen werden können, dass Störungen die Integrität des Datenverkehrs gefährden. EMV ist nicht „nice to have“ oder Befriedigung von Regularien und Normen, sondern ein Qualitätsmerkmal. Damit EMV-Probleme zuverlässig bereits im Design ausgeschlossen werden können, gibt es auf die besonderen Bedingungen der schnellen Datenleitungen abgestimmte Komponenten, die den Entwicklungsaufwand verringern und vor allem Nachbesserungen angesichts kritischer EMV-Testergebnisse vermeiden.

* Jochen Baier ist Leiter Technisches Marketing bei Würth Elektronik eiSos.

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