Schaltungsschutz Kompletter ESD-Schutz von USB-C-Schnittstellen mit TVS-Dioden

Von Dr. Oliver Dernovsek *

USB-C ist als Standard-Schnittstelle etabliert. Für den zuverlässigen Datenverkehr und Energietransfer über diesen Allrounder hat TDK zum ESD-Schutz ein Portfolio an miniaturisierten High-Performance-TVS-Dioden entwickelt.

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Eine TVS-Diode: sie bietet zuverlässigen ESD-Schutz der unterschiedlichen Pins am USB-C-Port.
Eine TVS-Diode: sie bietet zuverlässigen ESD-Schutz der unterschiedlichen Pins am USB-C-Port.
(Bild: TDK Corporation)

Neben extrem hohen Datenraten von bis zu 40 Gbps können über USB-C auch Leistungen von bis zu 100 W für schnelles Laden übertragen werden. Neben acht Pins für High-Speed-Datenübertragung bietet USB-C auch noch vier Low-speed-Pins nach dem USB-2.0-Standard sowie die Anschlüsse für die Energieübertragung und den Sekundärbus.

Da USB-C mit unterschiedlichen Datenraten und unterschiedlichen Spannungen arbeitet, sind entsprechend unterschiedliche ESD-Bauelemente erforderlich, um einen angepassten Schutz zu bieten. Insgesamt benötigt USB-C bis zu 20 TVS-Dioden mit verschiedenen Charakteristiken bezüglich Arbeitsspannung und Kapazitätsanforderungen an die jeweiligen Datenraten. Das Portfolio zeichnet sich durch hohe Performance in kleinen Bauformen von 400 µm x 200 µm und Bauhöhen weniger als 100 µm aus. Aufgrund der TDK In-house Design- und Prozessfähigkeiten können auch kundenspezifische Lösungen realisiert werden.

TVS-Dioden mit extrem gering Kapazitäten für High-speed-Ports

Um die Datenintegrität bei High-speed-Leitungen (wie Tx und Rx in Bild 1) mit 20 Gbps und höher nicht zu beeinflussen, müssen die parasitären Kapazitäten im gesamten System extrem gering sein. Speziell für die High-speed-Datenpins hat TDK zwei neue Typen von TVS-Dioden entwickelt, die sich durch sehr niedrige Kapazitäten auszeichnen. So bietet der Typ B74121 bei 1 MHz eine Kapazität von nur noch 0,68 pF, ein noch geringerer Wert von 0,48 pF wird vom Typ B74111 erreicht. Beide Typen sind für eine Arbeitsspannung von 3,3 V ausgelegt und bieten eine sehr geringe Klemmspannung von kleiner 4 V bei ITLP von 8 A. Beide Typen sind für eine ESD-Festigkeit von bis zu 15 kV ausgelegt.

Auch für die Datenleitungen D+ und D- des USB-C-Ports hat TDK zwei spezielle TVS-Dioden entwickelt. Mit Kapazitäten von 0,55 pF bzw. 0,43 pF sind diese für eine Betriebsspannung von 5,5 V mit geringen Klemmspannungen von kleiner 4,0 V bei einem ITLP von 8 A ausgelegt. Auch ihre ESD-Festigkeiten betragen bis zu 15 kV. Bei der Energieübertragung über den USB-C-Port an den Pins VBUS (CC SBU) kommen TVS-Dioden zum Einsatz, die für höhere Spannungen ausgelegt sind. Auch hier hat TDK zwei neue Typen entwickelt für Spannungen bis zu 20 V bei Klemmspannungen von 7,2 bis 26 V. Die ESD-Festigkeit beträgt ebenfalls bis zu 15 kV.

Pin-Belegung von USB-C. Orange: High-speed-Bus, grün: Low-speed-Bus USB 2.0, blau: Energietransfer für schnelles Laden mit Leistungen bis zu 100 W.
Pin-Belegung von USB-C. Orange: High-speed-Bus, grün: Low-speed-Bus USB 2.0, blau: Energietransfer für schnelles Laden mit Leistungen bis zu 100 W.
(Bild: TDK Corporation)

Extreme Miniaturisierung sorgt für platzsparende Designs

Da rund um den USB-Port in Summe bis zu 20 TVS-Dioden platziert werden müssen, sind die Baugrößen ein entscheidender Faktor, um Entwicklern platzsparende Designs und weitere Features im vorgegebenen USB-C- Steckerformat zu ermöglichen. Die Standardgröße ist WLCSP 0201 mit einem Footprint von 600 µm x 300 µm bei einer Bauhöhe von 150 µm. TDK hat den Beweis angetreten, dass TVS-Dioden noch deutlich kleiner und sehr robust gebaut werden können. So konnte der Flächenbedarf in der Bauform WLCSP 01005-SL mit nur 400 µm x 200 µm im Vergleich zur Standardgröße mehr als halbiert werden. Auch die Bauhöhe wurde weiter reduziert und liegt nun bei nur noch 100 µm. Bei der neuesten Generation WLCSP 01005-USL (ultra-slim line) konnte die Bauhöhe im Vergleich zur Standardserie halbiert werden und liegt nun bei nur 75 µm.

Neben dem ständig wachsenden Portfolio an TVS-Dioden bietet TDK auch eine breite Palette an Vielschichtvaristoren wie die CeraDiode, die sich je nach Anwendungsfall ebenfalls als ausgezeichnete Schutzbauelemente etabliert hat. Mit dem breiten Portfolio kann TDK als One-stop-shop für ESD-Schutzprodukte maßgeschneiderte Lösungen für bestehende und zukünftige Applikationen anbieten.

* Dr. Oliver Dernovse ist Head of Business Unit Multilayer der TDK Generic Foundry Business Unit Piezo & Protection Devices Business Group.

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