Защита usb своими руками

Защита USB-устройств от статики. Чипы TPD2E001, USB6B1, STF202-22T1G

Многие производители предлагают готовые решения защиты от ESD, например чипы TPD2E001 (Texas Instruments), USB6B1 (STMicroelectronics), STF202-22T1G (ON Semiconductors). См. даташиты внизу.

Схемотехника таких микросхем обычно представляет собой два варианта — стабилитрон и две пары диодов или более сложная схема с резисторами и конденсаторами. Второй вариант, кстати, уже содержит два резистора по 22 Ома, необходимых для согласования линий и резистор 1,5 кОм, определяющий скорость работы USB (LowSpeed/FullSpeed).

Отдельный стабилитрон защищает линию питания +3.3 V, хотя рекомендуется защищать в первую очередь входное питание +5 V USB. Для защиты входного питания можно поставить ещё один защитный стабилитрон на 5.6 V, подключенный параллельно питанию. Или использовать защитный диод между питанием 3.3 V и 5 V.
Для второго варианта я встречал решения, где резистор 1,5 кОм выведен на отдельную ногу микросхемы и не подключен к защитному стабилитрону, что позволяет подключать этот стабилитрон к шине 5 V, а не 3,3 V.

Характеристики защитных компонентов весьма внушительные, вот например предельные значения для сборки USB6B1:
VPP Peak pulse voltage:
IEC61000-4-2 contact discharge — 8 kV
IEC61000-4-2 air discharge — 15 kV
MIL STD883C-Method 30 15-6 — 4 kV
Peak pulse power 8/20 µs — 500 W
Peak pulse current 8/20 µs — 25A
Peak pulse current 2/10 µs — 40A

Применять эти микросхемы защиты в конкретных схемах достаточно просто. Они ставятся в разрыв между USB-разъёмом и самой схемой, к которой и подключаются шины питания и сигналы D+ и D-.
Для примера привожу часть принципиальной схемы (ЦАП на микросхеме PCM2704) соответственно без защиты, с защитой первый вариант, с защитой второй вариант:

Какой вариант предпочтительнее — выбирайте сами, в том числе исходя из доступности такого рода микросхем. Обращайте внимание на скорость передачи данных. Для высокоскоростных режимов USB2.0 и USB3.0 второй вариант не всегда годится из-за большой емкости фильтров сигнальных цепей.

Даташиты

Спасибо за внимание!

Камрад, рассмотри датагорские рекомендации

🌼 Полезные и проверенные железяки, можно брать

Опробовано в лаборатории редакции или читателями.

Источник

Эффективная фильтрация и защита порта USB 3.1

Введение

Разъем USB-интерфейса и соответствующий ему стандарт являются одними из наиболее широко распространенных и успешных из когда-либо использовавшихся прежде. Они интенсивно используются как в коммерческих, так и в индустриальных приложениях, причем обе отрасли стремятся к тому, чтобы стандарт стал быстрее. Сейчас USB обновлен до версии 3.1 и может увеличивать скорость передачи данных до 5 Гбит/с (Gen 1) и до 10 Гбит/с (Gen 2). Это условие остается актуальным из-за постоянно растущего разрешения медиа и требований к скорости передачи данных в сети.

Однако ничего не дается даром: повышение скорости передачи данных означает, что необходимо уделять еще большее внимание параметрам, которые имеют определяющее значение для высокоскоростных линий передачи данных. Кроме того, для сохранения скорости передачи и целостности сигнала следует принимать меры к ослаблению нежелательных сигналов, в общем случае они рассматриваются как электромагнитные помехи (ЭМП). К тому же правильная организация тракта передачи данных имеет первостепенное значение для выполнения все более жестких требований по электромагнитной совместимости (ЭМС).

Для высокоскоростных линий передачи данных широко известная на мировом рынке компания Würth Elektronik имеет в своем портфолио синфазные дроссели, необходимые для подавления электромагнитных помех, и TVS-диоды (Transient Voltage Suppresser — ограничитель бросков напряжения) для защиты от воздействия электростатических разрядов (ESD protection, ESD — Electrical Static Discharge) и переходных процессов, связанных в том числе и с воздействием ЭМП на линию передачи сигнала.

Источник

Избавляемся от помех и наводок с USB-изолятором: просто, дёшево, эффективно

Коротко о главном: Цена – 5-6$ (На таобао. На Али — дороже). Скорость – USB 2.0 Full Speed, Устройства с питанием от шины USB работают плохо – не хватает тока, но доработка возможна.

Что это такое, и зачем оно может вам понадобится? (Далее абзац – максимально просто и понятно, для гуманитариев, технарей попрошу с советами не лезть).

Это устройство обеспечивает гальваническую развязку (то есть, ток перестает течь) порта USB. Обычному пользователю такое нужно нечасто, так как сценарии его применения очень специфические, но часто, столкнувшись с проблемами, которые можно решить этим устройством, большинство пользователей так и не находят им правильного решения. Самая распространенная проблема – наводка на звуковой тракт (шумы, помехи, искажения), при одновременном подключении источника по USB и аудио входам. Расскажу про них на своем примере. У меня есть синтезаторы Yamaha PSR E-413, Casio CT-X5000, я их подключаю к компьютеру для использования в качестве устройства воспроизведения MIDI файлов (всё работает нормально), и хочу это самое воспроизведение оцифровать, с помощью внешней или встроенной звуковой карты. (вот тут уже появляются проблемы). Как только подключу синтезатор и звуковую карту к друг другу (при уже подключенном USB порте), сразу из динамиков синтезатора, даже если выкрутить громкость на минимум, становится слышен писк (в случае с Casio) или гул (в случае с Yamaha). Соответственно, эти помехи присутствуют и в записи, что делает её непригодной для использования. Причина простая – после подключения обычным, аналоговым кабелем, в системе появляются два «земляных» провода, и через них, наводки попадают на вход звуковой карты. Другой сценарии – у вас дома небольшая студия, гитары, синтезатор, микшер, и вы решили записать ваше выступление в компьютер, специально для этой цели купили хорошую, дорогую звуковую карту, подключаете её к компьютеру и к микшеру, и в записи получаете ужасный фон и треск. Проблема опять в «второй земле» (которая на этот раз, получается через общую шину заземления), через которую наводки попадают на вход.

Решение этой проблемы имеет несколько вариантов, и у всех свои особенности и недостатки, расскажу об некоторых из них.

1. Убираем второй земляной провод, перерезав его или в аудио кабеле, или в USB кабеле. Решение ОЧЕНЬ плохое, так как в случае перерезания земли в аудио кабеле, наводки хотя и уменьшатся, но вы получите много новых – земля в USB кабеле не предназначена для работы в качестве таковой для источников звука. А если перережете массу в USB кабеле, то результат может быть ещё более плачевным – работать то будет, но если вы случайно отсоедините аудио кабель от одного из устройств, то порты USB повиснут в воздухе, и вполне могут сгореть – были прецеденты в моей практике.
2. Ставим изолирующий аудио трансформатор. Это самое простое решение, но имеет и свои минусы – любой трансформатор вносит искажения в звук, а такой, который их вносит в минимальном количестве, может стоить и долларов 200, а то и больше.
3. Применяем USB изолятор – наиболее практичное и элегантное решение, которое имеет много плюсов, но имеет и некоторые недостатки, которые, впрочем, легко можно исправить. (об этом поговорим далее)

Что касается технарей, думаю, объяснять вам, для чего может понадобится USB изолятор – смысла нет. Тут и подключение осциллографов и анализаторов к «горячим» источникам, поиск и локализация разных глюков, и многое другое. Так что переходим собственно к герою обзора.

Сердцем данного изолятора является микросхема ADUM3160 – одна из наиболее доступных и базовых среди USB изоляторов от фирмы Analog Devices. Поддерживаются режимы USB Low Speed, USB 2.0 Full speed. Поддержки High speed – нет. В отличие от рекомендованной производителем схемы включения, китайцы, в целях экономии ресурсов, разработали собственную «обвязку, которая, хотя и работает, но обеспечивает крошечный ток на выходе, и соответственно, прожорливые устройства, которые берут питание от USB порта, работать не будут.

Качество изготовления, традиционно для китайских фирм, входящих в холдинг “Noname”, очень высокое и соответствует всяким ISO 9001, кто бы сомневался. Тут и не отмытый флюс, и криво припаянный USB разъем, и видавшее всё компоненты, заботливо собранные на лучших свалках Китая. Но как ни странно, всё более-менее работает, и проблем с стабильностью нет.

Устройство снабжено аж тремя разноцветными светодиодами и одним DIP переключателем, который служит для выбора режима работы (USB 2.0 Full speed/low speed)

Красный – горит, когда на устройство подано питание.

Синий – горит, когда выбран режим USB 2.0 Full Speed (как можно убедится по фото, светом синего светодиода можно сбивать дроны и слепить пролетающих мимо ястребов)

Зелёный – горит, когда выбран режим USB 2.0 Low Speed. (для чего этот режим, я так и не понял, большинство устройств в таком режиме работать отказываются)

Изолятор в системе никак не «видится» — он совершенно «прозрачный», и просто обеспечивает развязку. Работа с устройствами, у которых имеется свой источник питания, проблем не вызывает – всё работает стабильно, без провалов в скорости и «отваливания» устройства. А вот что касается устройств, которые берут питание с USB – то тут ждёт беда. Максимальный выходной ток, при котором напряжение на выходе держится в районе 5 вольт, около 50мА. В переводе на человеческий это значит, что всякие мелкие программаторы, анализаторы, переходники USB<>LPT, USB<>RS-232 работать будут, а вот USB осциллографы, звуковые карты, и прочие «энергичные» потребители – работать не будут. Приведу список того, что работает, и что не работает через этот изолятор.

• Программаторы Microchip PicKit 2, PicKit 3 (только, если прошиваем «голый» МК. Если в обвязке есть потребители, типа ЖК экрана или чего-то другого, то тогда будут глюки)
• USB<>RS-232 переходники типа CH-340, PL-2303 и некоторые другие.
• Анализатор Saelae Logic
• Принтер HP LaserJet CP 1025 Color
• Принтер HP LaserJet 2015n
• Флешка SanDisk Cruzer Contour 8GB
• Синтезатор Yamaha PSR E-413
• Синтезатор Casio CT-X5000

• Осциллограф Hantek DSO-2090.
• Звуковая карта Behringer U-CA202
• Звуковая карта Lexicon Alpha
• Мобильные телефоны (даже в режиме передачи файлов)
• ТВ Тюнер Astrometa DVB-T2
• Внешние жесткие диски, в том числе, и с использованием SSD.
• Зарядное устройство Turnigy AccuCel-6 80W

Так как я брал этот изолятор для применения с синтезаторами, вопрос неработоспособности некоторых устройств для меня не актуален, но я на всякий случай, сделал простой тест – выпаял преобразователь B0505, и на выходной каскад подал питание от отдельного, трансформаторного блока питания 5 вольт 350мА (зарядка от Nokia). Всё что не работало, заработало без сучка и задоринки. (разумеется, кроме внешних жестких дисков, которым не хватило этих самих 350мА). Так что, в случае необходимости подключения прожорливой нагрузки, просто заменяем преобразователь на более мощный, или подаём питание на выходной каскад с отдельного, гальванически развязанного блока питания.

И под конец, напомню ещё раз. Скорость у устройства — USB 2.0 Full speed, т.е. 12мбит, т.е. скорость копирования файлов, в лучшем случае, будет составлять не более 1.5мб в секунду. И хотя с применяемыми мной измерительными приборами это проблем не вызвало, вполне вероятно, что некоторое конкретное устройство в таком режиме не будет полноценно работать. К сожалению, протестировать весь спектр устройств у меня возможности нет, так что перед покупкой уточняйте, насколько ваше устройство может работать в режиме USB 2.0 Full Speed.

Источник

USB killer

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.

Источник