Защита usb от статики
Думаю, многие сталкивались со статическим электричеством и его негативным влиянием на компьютер. Дотрагиваетесь до USB порта… и компьютер зависает. Бывало? Я расскажу вам как легко и просто избавиться от влияния статического электричества на ваш компьютер.
Так ли все страшно?
Когда вы прикасаетесь к портам USB или другим незащищенным железным частям электронной начинки рукой, происходит передача статического электричества на электронные компоненты компьютера, что вызывает сбой в системе. В некоторых случаях это может повредить электронику компьютера, так что защищаться от статики обязательно нужно. Вы же не хотите потерять компьютер?
Почему так происходит?
Известно, что накопление статики сильнее всего беспокоит пользователей именно зимой. Это связано прежде всего, с пониженной влажностью воздуха, а также с тем, что вы носите теплые вещи, большая часть которых склонна к накоплению статического электричества.
Основными источниками накопления статики в доме являются: ковролин или ковер на полу, ваши шерстяные вещи. В отдельных случаях сильнейшим источником может быть работающий пылесос, которым вы пылесосите ковер или ковролин.
Как бороться со статическим электричеством?
Я расскажу основные методы борьбы со статическим электричеством, все они довольно простые и доступны каждому.
1. Соединить корпус USB порта с корпусом компьютера
Первое и самое главное, что нужно сделать в случае, если компьютер зависает от прикосновения к портам, это «заземлить» корпус USB на корпус компьютера. При попадании статического электричества на порт, оно будет уходить в корпус, не причиняя вреда электронике компьютера.
Вообще, если корпус USB порта не соединен с корпусом компьютера, это серьезная недоработка производителя корпуса. Кстати, таким недугом страдает, например, корпус Zalman Z9 Plus.
Достаточно припаять (или прикрутить) один конец провода к железному корпусу USB, а второй также прикрутить к корпусу, лучше в месте закручивания какого-нибудь болта. После этого вы больше никогда не вспомните о зависании компьютера от статики.
Если вы не готовы лезть в корпус компьютера, то для вас есть другие методы борьбы со статическим электричеством:
2. Периодически разбрызгивать по дому воду из распылителя
Радикальный метод борьбы со статическим электричеством, мгновенный и не слишком удобный. Он работает, и поэтому мы не могли его не упомянуть. Однако, однажды вы забудете про воду, и снова столкнетесь с проблемой статики. Поэтому есть более совершенный способ.
3. Поставить в доме увлажнитель воздуха
Увлажнитель воздуха автоматически будет повышать влажность воздуха в доме, что не позволит появляться статическому электричеству в принципе. Один из самых хороших способов бороться со статическим недугом, но не самый совершенный.
4. Поставить в доме ионизатор воздуха
Статическое электричество – это накопленные положительно заряженные частицы. Ионизатор воздуха создает отрицательно заряженные ионы, что нейтрализует статическое электричество в принципе. К тому же ионизированный воздух полезен для организма, так что ионизатор воздуха можно считать самым совершенным средством для борьбы со статическим электричеством.
А на этом всё. Подпишитесь на выход новых статей, это не больно и к тому же бесплатно 🙂
Метод защиты USB -устройств от статических разрядов достаточно прост и традиционен - использование специальных подавителей разрядов - супрессоров ( Suppressor ). В USB -устройствах можно встретить несколько типов супрессоров:
Комбинированные супрессоры диодного типа.
Комбинированные транзисторные TVS -супрессоры.
Комбинированные супрессоры диодного типа.
Подавители выбросов напряжения являются обычно полупроводниковыми приборами, у которых ВАХ аналогична стабилитрону. В условиях нормальной работы ограничители являются высокоимпедансной нагрузкой по отношению к защищаемой схеме и служат для защиты цепи. В идеальном случае, устройство выглядит как разомкнутая цепь с незначительным током утечки. Когда напряжение переходного процесса превышает рабочее напряжение цепи, импеданс ограничителя понижается, и ток переходного процесса начинает течь через ограничитель. Мощность, образовавшаяся при переходном процессе, рассеивается в пределах устройства и ограничивается максимально допустимой температурой перехода. Когда линейное напряжение достигает нормального уровня, ограничители автоматически возвращаются в высокоимпедансное состояние. Примером таких устройств является TVS -диод (рис. 1).
TVS -диоды бывают двух типов: несимметричные и симметричные. Отличие их вольт-амперных характеристик демонстрирует рис. 2. Особенностью защиты линий USB является то, что необходимо обеспечивать защиту высокоскоростных и низковольтных линий, именно поэтому часть защитных устройств, например TVS -диоды, применяться в USB не могут. На напряжениях, ниже 5В, стандартная технология TVS -диодов становится непрактичной. Решением данной проблемы является применение регулирующих низкоемкостных диодов (рис. 3).
Между двух устройств, находящихся на линии, включены два источника фиксированного напряжения - питающее напряжение ( VCC ) и "земля" ( GND ). В тот момент, когда импульс напряжения на линии превысит сумму прямого напряжения диода и опорного напряжения, диоды направят его на питающую шину или "землю". Достоинством этого метода является низкая емкостная нагрузка, быстрое время реакции и двунаправленность (относительно опорного напряжения). Однако есть и недостатки, заключающиеся в том, что дискретные компоненты не рассчитаны на высокие скачки тока, связанные с ESD и могут выйти из строя. Другая проблема этого метода - это перенаправление импульса на питающую шину, что может привести к повреждению компонентов источника питания и других элементов, подключенных к этой же шине питания. Решает эту проблему добавление диода TVS на шину питания, для того, чтобы импульс перенапряжения направлялся на землю (рис. 4).
Именно таким образом и получают комбинированные супрессоры диодного типа. Пример использования комбинированного супрессора (типа NUP 4201 DR 2) для защиты двухканального интерфейса USB 2.0 приводится на рис. 5. В принципе, в USB -устройствах можно встретить применение более простых интегральных супрессоров на базе регулирующих диодов. Примеры построения таких супрессоров представлены на рис. 6.
Комбинированные транзисторные TVS -супресеоры.
Целое семейство интегральных супрессоров было предназначено для интерфейса USB 1.1. Их эквивалентная структура и распределение сигналов по контактам показаны на рис. 7. Супрессоры такого типа выпускались фирмой Texas Instruments , и имели маркировку SN 65220 (одноканальный супрессор), SN 65240 и SN 75240 (двухканальные супрессоры). Микросхемы этого типа обеспечивают подавление шумовых выбросов напряжения, образованных самыми различными источниками, уменьшая тем самым вероятность отказа микросхем контроллеров USB .
Основными характеристиками и особенностями супрессоров этого типа являются:
напряжение ограничения . 6В;
малый ток утечки . I мкА при напряжении 6В;
малое значение емкости . 35 пф;
защита о ESD до 15 кВ;
мощность импульса . до 60Вт;
максимальное значение броска прямого тока . ЗА;
максимальное значение броска обратного тока . -9А.
Вольт-амперная характеристика микросхем этого типа показана на рис. 8, а на рис. 9 демонстрируется принцип подключения микросхем к линиям USB . Микросхемы этого типа не предназначены для использования в интерфейсе USB 2.0 - этому мешает величина емкости супрессора. Емкость 35 пФ является малой лишь для USB 1.1, т.е. для скоростей LS и FS , а для скорости HS в USB 2.0 это значение является остаточно большим. Для защиты интерфейса USB 2.0 фирмой Texas Instruments производятся микросхемы на основе регулирующих диодов, например, микросхема TPD 2 E 001.
Под дискретными супрессорами обычно подразумевается сразу несколько типов электронных приборов. Реальное же применение для защиты USB -интерфейсов нашли следующие из них:
Импульсные предохранители - Pulse Guard ( PG );
Многоуровневые варисторы - Multi Layer Varistors (MLV);
Позисторы - Positive Temperature Coefficient (PTC).
Комбинация этих элементов защиты позволяет организовать полнофункциональную защиту всех элементов USB интерфейса. Принцип организации электростатической защиты USB интерфейса с помощью дискретных элементов демонстрируется на рис. 10. Дадим краткую характеристику элементов этой защиты.
Voltage - это импульс напряжения, возникающий на супрессоре в период пока его сопротивление изменяется с большого на малое, т.е. это выброс, возникающий в момент, когда супрессор переходит в режим фиксации напряжения. Но так как инерционность PulseGuard очень мала (менее 1 нс), этот всплеск получается очень коротким и его амплитуда составляет не более 1000 В. Таким образом, получается, что приборы PulseGuard пропускают короткие всплески напряжения величиной до 1000 В, но это, на самом деле, не страшно, т.к. все современные микросхемы имеют встроенную защиту от подобных всплесков величиной до 2000 В. Приборы PulseGuard предназначены для поверхностного монтажа и бывают двух типов - для защиты одной линии (серия PGB 0603, например, PGB 0010603) и для защиты двух линий, выпускаемых в корпусах SOT 23.
Импульсные предохранители PulseGuard, выпускаемые фирмой Littelfuse из полимерных композитных материалов, являются ESD -супрессорами с очень малым значением емкости (0.055 пФ), что позволяет использовать их для защиты высокочастотных каналов передачи данных, и, в частности, каналов USB , работающих на скоростях HS (до 480 Мбит/с). Малая емкость этих приборов, практически, не искажает форму сигналов на информационных линиях (рис.11). Вольт-Амперная характеристика приборов PulseGuard представлена на рис.12. На этой характеристике наблюдается всплеск напряжения - Trigger Voltage (напряжение включения).
Trigger обычные SMD компоненты: чип-резисторы и чип-транзисторы. Основные характеристики PulseGuard :
напряжение включения . 1000В;
напряжение фиксации . 150В;
максимально допустимое постоянное напряжение на защищаемых линиях . 24В;
емкость . 0.055 пФ;
время реакции . менее 1нс;
ток утечки (при 6В) . менее 1нА;
минимальное количество выдерживаемых импульсов . 1000.
Последняя из приведенных характеристик говорит о том, что существует некоторый предел использования приборов PulseGuard , т.е. постепенно, с каждым новым срабатыванием, они несколько деградируют. Теоретически, существует такой момент времени, когда очередной ESD -разряд не будет "поглощен" супрессором и приведет к отказу USB -устройства.
Варисторы MLV предназначены для защиты линий питания и "земли" USB интерфейсов. Приборы MLV , фактически, являются типичными варисторами, задача которых заключается в защите от воздействия напряжения, имеющего больший номинал, чем порог срабатывания варистора. Принцип функционирования MLV при возникновении ESD -разряда поясняет рис.13. Приборы MLV , также выпускаемые фирмой Littelfuse ®, представляют собой компоненты поверхностного монтажа.
Позисторы РТС - это терморезисторы с положительным температурным коэффициентом сопротивления (+ТКС). Эти приборы позволяют защитить линии USB от больших токов, вызванных, короткими замыканиями линии +5 V и GND . При возникновении короткого замыкания в линии +5В, ток через РТС резко возрастает, что приводит к его разогреву и увеличению сопротивления. Переходя в состояние высокого сопротивления, РТС, фактически, размыкает цепь питания, отключая тем самым устройства USB . После того как причина большого тока в канале +5 V будет устранена, РТС остывает и восстанавливает свое малое сопротивление. Все выше перечисленные элементы защиты могут быть использованы и для защиты линий Fire Wire и Ethernet .
Было обычное хмурое зимнее утро, мы с коллегами по обыкновению пили утренний кофе, делились новостями, ничто не предвещало беды. Но тут приятель рассказал… далее цитата из скайп чата:
Как-то читал статейку как парень в метро вытянул у чавака из сетчатого кармана сумки флеху, на которой 128 было написано. Пришел домой, вставил в ноут -> спалил пол компа… Написал на флехе 129 и теперь носит в наружном кармане своей сумки.
Картинка для привлечения внимания:
Так как я работаю на предприятии, которое занимается разработкой и производством электроники, то мы с коллегами принялись активно обсуждать варианты реализации такой флешки, — которая “спаливала бы полкомпа.” Было множество хардкорных, фантастических, а также вполне реальных вариантов. И всё бы так и закончилось этим весёлым обсуждением, если бы я не собирался заказывать изготовление печатных плат для других своих проектов.
Итак, USB интерфейс компьютера, как правило, имеет в своём составе USB разъём-> ESD диоды (защита от статики) -> фильтрующие элементы -> защитные элементы в самой микросхеме, содержащей физический уровень интерфейса USB. В современных компьютерах USB “физика” встроена чуть ли не в сам процессор, в компьютерах чуть постарше за USB отвечают североюжные мосты. Задача разработанной флешки всё это дело жэстачайше спалить сжечь, как минимум убить USB порт.
В течение недели мной была разработана вполне конкретная схемотехническая реализация, заказаны компоненты и спустя несколько месяцев ожидания компонентов был собран полностью работоспособный прототип. Была проверена сама идея и “спалено” всё, что только можно.
Далее были разработаны и заказаны печатные платы в Китае, смонтирован боевой образец.
Запаяно вручную мной, монтажник из меня так себе.
Сделано было под корпус от обычной флешки.
Принцип работы самой флешки довольно прост. При подключении к USB порту запускается инвертирующий DC/DC преобразователь и заряжает конденсаторы до напряжения -110в, при достижении этого напряжения DC/DC отключается и одновременно открывается полевой транзистор через который -110в прикладываются к сигнальным линиям USB интерфейса. Далее при падении увеличении напряжения на конденсаторах до -7в транзистор закрывается и запускается DC/DC. И так в цикле пока не пробьётся всё и вся. Пытливый ум читателя знакомого с электроникой уже сообразил, почему используется отрицательное напряжение, для прочих поясню, что отрицательное напряжение коммутировать проще, так как нужен N-канальный полевой транзистор, который в отличие от P-канального может иметь значительно больший ток при одинаковых габаритах.
Про область применения говорить не буду, но бывший коллега говорит что это как атомная бомба, круто иметь, только применить нельзя.
Для защиты электрических цепей от импульсного перенапряжения обычно используются такие стандартные решения, как TVS диоды, газовые разрядники, металлооксидные варисторы, TVS-тиристоры (TSPD). Однако такие стандартные компоненты не всегда применимы для решения специализированных задач защиты линий передачи данных.
Компания On Semiconductor предлагает ряд специализированных решений, предназначенных для защиты различных каналов передачи данных, например, для защиты USB и CAN интерфейсов.
Защита USB интерфейса
Защита USB интерфейса предъявляет ряд требований к разработчику: с одной стороны, должна быть обеспечена надежная защита линий связи, с другой стороны, сохранена высокая скорость передачи данных. Применение TVS-диодов в этих схемах неэффективно.
Компания On Semiconductor предлагает приборы NUP2201 и NUP4201, которые представляют собой сборку из TVS-диодов с малой емкостью. Эти компоненты беспечивают защиту двух (NUP2201) и четырех (NUP4201) линий связи и шины питания от перенапряжений, вызванных ЭС разрядом или переходными процессами.
Типовая схема применения NUP2201 и NUP4201 для защиты USB интерфейса
Защита CAN интерфейсов передачи данных
CAN интерфейсы также сильно чувствительны к воздействию электростатических разрядов, которые могут повредить или полностью разрушить микросхему видеоинтерфейса. Для решения таких задач On Semiconductor предлагает сборку TVS диодов NUP2105L, которую рекомендуется использовать совместно с дросселем синфазного сигнала. Устройство обеспечивает двунаправленную защиту каждой линии данных в компактном корпусе SOT-23.
— Мощность 350 Вт на линию (8х20мкс)
— Низкий обратный ток течки (менее 100 нА)
— Обратное рабочее напряжение 24 В
— Емкость 30 пФ
— Защита от электростатики:
— HBM 16 кВ
— ММ 400 В
— IEC 61000-4-2 (контакт) 30 кВ
Читайте также: