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Die Masse gibt den Takt an: USB-2.0-Signale übertragen

Autor / Redakteur: Daniel Kübler * / Kristin Rinortner

Bei der einfachen Signalweiterleitung von einem USB- auf ein Flachbandkabel koppeln sich vom Stromleiter Gegentaktstörungen in die Datenleitungen ein. Wie lassen sich diese herausfiltern?

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Bild 1: 
Bei dieser fiktiven Maschinensteuerung ist der USB-Anschluss am Front-Panel mit der Steuerplatine 
an der Panel-Rückseite mit den IDC-Steckverbindern und einem Flachbandkabel verbunden.
Bild 1: 
Bei dieser fiktiven Maschinensteuerung ist der USB-Anschluss am Front-Panel mit der Steuerplatine 
an der Panel-Rückseite mit den IDC-Steckverbindern und einem Flachbandkabel verbunden.
(Bild: Würth Elektronik)

Geräteentwickler stehen immer wieder vor der Herausforderung, die Bedienelemente an der Gehäusefront mit den USB-Anschlüssen an der Geräterückseite platzsparend, kostengünstig und ohne Minderung der Signalqualität zu verbinden. Blickt man in das Gehäuseinnere, werden die Platinen gerne mit Flachbandkabeln verbunden (Bild 1).

Der Grund: Da sie im Gehäuse verbaut sind, brauchen sie im Gegensatz zu Kabeln im Außenbereich keine so hohe Schirmung und sind somit preiswerter. Hier spielt auch der IDC-Steckverbinder in SKEDD-Technologie (Bild 2) seine Stärke aus: Er benötigt auf der Leiterplatte keinen Gegenstecker und kann von Hand mit der Platine verbunden werden.

Die Lösung spart nicht nur Platz und Bauhöhe ein, sie ist darüber hinaus in mehrerlei Hinsicht sehr kosteneffektiv. So müssen auf der Leiterplatte lediglich die Löcher für den Steckverbinder gebohrt und metallisiert werden, ein anschließender THT-Lötprozess für einen Gegenstecker entfällt.

Durch die Möglichkeit der beidseitigen Bestückung und werkzeuglosem Stecken und Lösen der Verbindung, lassen sich zum Beispiel defekte Kabel wesentlich schneller austauschen. Die Schneidklemmtechnik (IDC) verschafft hier einen zusätzlichen Zeitvorteil.

Bild 2: Der REDFIT IDC-Steckverbinder ist in neun Varianten zwischen 4 und 20 Pins erhältlich. Unterschiedlich große Kunststoffführungen gewähren eine verpolsichere Kontaktierung auf der Leiterplatte.
Bild 2: Der REDFIT IDC-Steckverbinder ist in neun Varianten zwischen 4 und 20 Pins erhältlich. Unterschiedlich große Kunststoffführungen gewähren eine verpolsichere Kontaktierung auf der Leiterplatte.
(Bild: Würth Elektronik)

Allerdings besteht das Problem, dass es bei der Übertragung von USB 2.0 über vier Flachbandleitungen für Masse, Spannung und dem Datenpaar zu einer asymmetrischen Störung des Nutzsignals kommt, die sich nicht unterdrücken lässt. Einen Verlust der Signalqualität in Kauf nehmen, nur weil Anschluss und Bedienung auf den gegenüberliegenden Seiten des Geräts liegen sollen?

Die einfache, aber dennoch trickreiche Idee von Würth Elektronik nutzt die Tatsache aus, dass der IDC-Steckverbinder unter anderem auch mit sechs Pins verfügbar ist und sich mit einem weiteren Massepaar eine Gleichtaktstörung erzeugen lässt, die eine stromkompensierende Drossel filtern kann.

Wenn aus Gegentakt Gleichtakt wird

Bild 3: Eine Gegentaktstörung entsteht dadurch, dass sich Störungen auf den Leitungen GND und Ueff in gleicher Richtung in die benachbarten Leitungen D- und D+ einkoppeln.
Bild 3: Eine Gegentaktstörung entsteht dadurch, dass sich Störungen auf den Leitungen GND und Ueff in gleicher Richtung in die benachbarten Leitungen D- und D+ einkoppeln.
(Bild: Würth Elektronik)

Bei der einfachen Weiterleitung des USB-2.0-Signals über vier Flachbandleitungen (GND, D–, D+, Ueff) fließt der Strom durch die Ader für die Versorgungsspannung in entgegengesetzter Richtung auf der Masse­ader zurück (Bild 3). Die Störungen, die aufgrund der unterschiedlichen Lasten im Stromnetz entstehen, koppeln sich von der Versorgungsader in die benachbarte D+-Ader ein, die entsprechenden Störungen auf der Masseleitung in die D–-Ader.

Die Störungen der Stromversorgung übertragen sich auf den Datenleitungen also nicht in einem common mode, sondern in einem differential mode und lassen sich somit nicht mehr ausblenden. Verwendet man jedoch sechs Leitungen (GND, D–, D+, GND, Ueff, GND), lässt sich dieses Phänomen umgehen (Bild 4).

Bild 4: 
Weil die Störungen auf den GND-Leitungen alle in dieselbe Richtung laufen, koppeln sie sich auch auf den Datenleitungen im common mode ein. Diese Gleichtaktstörung lässt sich herausfiltern.
Bild 4: 
Weil die Störungen auf den GND-Leitungen alle in dieselbe Richtung laufen, koppeln sie sich auch auf den Datenleitungen im common mode ein. Diese Gleichtaktstörung lässt sich herausfiltern.
(Bild: Würth Elektronik)

Durch diese Anordnung der Leitungen laufen die Störungen auf den Masseleitungen neben dem Datenpaar in dieselbe Richtung, koppeln sich also im common mode in das Datenpaar ein. Störungen, die in gleicher Richtung laufen, lassen sich sehr einfach durch common mode chokes filtern [1].

Die Impedanz bestimmt die Leitungslänge

USB 2.0 ist mit einem maximalen Strom von 1 A definiert. Diese Begrenzung liegt auch bei einer Flachbandleitung vor, ebenso ist der SKEDD-Steckverbinder für diese Stromstärke spezifiziert. Dennoch ist die Übertragung von USB 2.0 über ein 6-adriges Flachband nicht unbegrenzt möglich, denn: Die Flachbandleitung hat gemäß IPC-TM-650 in einem asymmetrischen Aufbau (GND, D, GND) eine Impedanz von ZDD=90 Ω.

Die USB-2.0-Spezifikation schreibt für das Kabel eine Impedanz zwischen 76,5 und 103,5 Ω vor, gemessen bei einer differenziellen Übertragung. Da es sich hier aber nicht mehr um einen asymmetrischen Aufbau handelt, muss die dort vorliegende Impedanz als ZDD ermittelt werden.

Bild 5: Übertragung einer asymmetrischen Impedanz in ein differenzielles System.
Bild 5: Übertragung einer asymmetrischen Impedanz in ein differenzielles System.
(Bild: Würth Elektronik)

Liegt diese außerhalb der USB-2.0-Spezifikation, kann das Flachbandkabel nur bis zu einer gewissen Länge verwendet werden. Und diese ist abhängig von der Übertragungsrate. Wie lang also die Übertragungsstrecke in einem Gehäuse sein darf, erklärt die folgende Impedanzabschätzung, illustriert in Bild 5.

Die Impedanz der Datenleitung des asymmetrischen, 3-phasigen Flachbandkabels beträgt 105 Ω, d. h., die Impedanzen der beiden Masseleitungen zur Datenleitung betragen jeweils 210 Ω, da 105 Ω=210 Ω||210 Ω. Überträgt man dieses Prinzip auf die beiden Datenleitungen und die sie umschließenden Masseleitungen des 6-adrigen Flachband­kabels, ergibt sich zwischen den Datenleitungen ein virtueller Nullpunkt, also ein virtuelles Ground.

In Reihenschaltung gesehen liegen zwischen dem virtuellen Ground und den Potenzialen der Leitungen D+ und D- jeweils 105 Ω vor, weshalb man GND1 mit D+ und GND2 mit D- als zwei Systeme mit asymmetrischen Aufbau ansehen kann, für die gilt:
ZGND=210 Ω||105 Ω=70 Ω. Weil sich ZD– und ZD+ mit jeweils 70 Ω gegenüberstehen, ergibt sich ein ZDD von 2 x 70 Ω=140 Ω, was oberhalb des erlaubten Bereichs der USB 2.0-Spezifikation liegt.

Die Differenz von 50 Ω der Leitungsimpedanzen von Z0=90 Ω (Mittenimpedanz von USB 2.0) und Z0=140 Ω (6-adriges Flachband) transformiert die Lastimpedanz der Flachbandseite aufgrund der nicht korrekten Anpassung auf einen Wert von knapp 218 Ω. Dies ist mehr als das Doppelte der geforderten 90 Ω, das heißt, es liegt eine Impedanzanpassung von einem VSWR<1:2,4 beziehungsweise eine Rückflussdämpfung <–7,5 dB vor. Und das muss bei der Datenübertragungsrate berücksichtigt werden.

Vorsicht bei der Übertragungsrate

Bei der High-Speed-Übertragung mit 480 MBit/s eines USB-2.0-Signals als Rechteckimpuls beträgt die maximale Grundfrequenz f1max=240 MHz. Damit der Puls tatsächlich als reiner Puls und nicht als Sinus abgebildet wird, werden die Anteile der 3. Oberwelle benötigt, die bei f3max=3 x 240 MHz
=720 MHz liegen. Bei dieser Frequenz beträgt die Wellenlänge λ720=40 cm.

Die volle Impedanztransformation findet bei λ/4 statt, also bei 10 cm. Bei λ/10 (=4 cm) hingegen ist die Transformation vernachlässigbar. Damit aber das Flachbandkabel für die High-Speed-Übertragung von USB 2.0 im Gehäuse länger als 4 cm sein kann, wird wegen der vorliegenden Impedanzdifferenz von 50 Ω nur die Grundwelle mit λ240=120 cm betrachtet, aus der sich eine unkritische Leitungslänge von 12 cm ergibt. Grob gesagt bedeutet dies also, dass bei einer Leitungsimpedanz von ZDD=140 Ω eine sichere Datenübertragung bei einer Kabellänge von bis zu 10 cm möglich ist.

Kabellängen im Meterbereich sind bei der Full-Speed-Übertragung mit 15 MBit/s möglich, da die Grundfrequenz bei f1max=7,5 MHz liegt, die der 3. Oberwelle bei f3max=22,5 MHz (λ=13,3 m). Für diese Anwendung ist die Kombination aus 6-adriger Flachbandleitung und IDC-Steckverbinder in SKEDD-Technologie sehr gut geeignet.

Das ist nicht nur deswegen gut, weil Sie sich wegen der Impedanzanpassung keine weiteren Gedanken machen müssen. Ein weiterer positiver Effekt der Übertragung mit sechs Adern ist auch, dass auf den Außen­adern immer eine Masseverbindung vorliegt.

Bei einer Beschädigung der Flachbandleitung, die meistens die Außenleitungen betrifft, liegt eine Masseverbindung offen, die beim Kontakt mit dem Gehäuse noch keine Störung der Datenübertragung verursacht. Zudem ist ein Kurzschluss gegen Masse meist weniger gefährlich als ein Kurzschluss auf der Leitung der Versorgungsspannung, wie es bei der 4-adrigen Variante der Fall wäre. Darüber hinaus hilft die Erweiterung um zwei Masseadern auch, eventuelle Querströme auf der Gehäusemasse zu minimieren, die sonst sehr schnell zu EMV-Problemen führen können.

Literatur

[1] Application Note ANP024c: Das USB Interface aus EMV Sicht.

* Daniel Kübler arbeitet als Business Development Manager bei Würth Elektronik eiSos in Waldenburg.

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