ESD-Schutz von USB-Ports
CMOS-Chips sind empfindlich gegen elektrostatische Entladungen.
Die ESD-Empfindlichkeit von CMOS-Chips, zu denen auch Southbridges zählen, ist allgemein bekannt (ESD = Electro-Static Discharge). Eine schwer wiegende Folge kurzzeitiger Überspannungen kann sein, dass ein bei CMOS-Bauteilen immer vorhandener, parasitärer Thyristor (eine PNPN-Schichtfolge im Silizium) zündet und die Versorgungsspannung quasi kurzschließt. Das wiederum kann zu schleichenden Schäden des betroffenen Bauteils führen, aber auch zu seinem plötzlichen Ausfall und bei großer Wärmeentwicklung schlimmstenfalls zu spektakulärer Rauchentwicklung.
Moderne CMOS-Bauteile sind wesentlich resistenter gegen ESD als ihre Urahnen, dennoch schreiben die einschlägigen Anwendungsvorschriften weitere ESD-Schutzmaßnahmen vor; besonders in den Wintermonaten mit trockener Heizungsluft und beim Tragen von Woll- oder Fleece-Bekleidung können menschliche Körper nämlich statische Ladungen in der Größenordnung von bis zu 20.000 Volt (20 kV) tragen. Bei der Berührung eines geerdeten Metallteils fließen diese Ladungen ab -- bei hoher Aufladung ist das als kleiner Stromschlag spürbar.
Externe elektronische Schnittstellen wie USB-Ports müssen gegen solche kurzzeitigen Spannungsimpulse immunisiert werden, vor allem wenn sie auch noch für das Ein- und Ausstecken im laufenden Betrieb vorgesehen sind. Zu den Schutzmaßnahmen zählen saubere Masseführung und Schirmung sowie Zusatzbauteile wie Zener-Dioden, Serienwiderstände oder RC-Filter. Diese Vorkehrungen können aber genau wie Blitzschutz-Vorrichtungen niemals alle Extremfälle abfangen; mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit kommt es deshalb immer wieder zu ESD-verursachten Mainboard-Defekten.
Beim ESD-Schutz von USB-Ports kommt das Problem dazu, dass die einstmals für die mit der USB-1.1-Spezifikation definierten Low- und Fullspeed-Modi entwickelten Schaltungen den HiSpeed-Modus (480 MBit/s) von USB 2.0 behindern. Hier dürfen beispielsweise nur Schutzelemente mit besonders geringer Sperrschichtkapazität zum Einsatz kommen; Intel empfiehlt (300-KByte-PDF-Datei) explizit PulseGuard-Bauteile von LittleFuse. Diese erhöhen aber nicht nur die Kosten (vor allem bei heutigen Mainboards mit acht bis zehn USB-2.0-Ports), sondern sollen laut Intel auch nur einmal pro USB-Port angewendet werden, um der HiSpeed-Signalqualität nicht zu schaden. Deshalb kann es sein, dass einige Mainboard-Hersteller diese Schutzbauteile bei den Frontpanel-USB-Ausgängen weglassen, weil sie davon ausgehen, dass diese auf den Platinchen der Gehäuse-Ports sitzen werden -- sofern diese tatsächlich damit bestückt sind, müssen sie aber auch sehr sauber mit der Geräte-Masse verbunden sein. Hier arbeiten die Gehäuse-Hersteller manchmal aber nicht ganz sauber, weshalb es beispielsweise bei manchen PC-Systemen zu Abstürzen und Neustarts kommt, wenn man ein USB-Gerät an einen Frontplatten-Port anschließt.
Um das Risiko von Schäden durch statische Entladungen zu mindern, sollte man darauf achten, die Steckkontakte und Metallschirme von PC-Ports und den eingesteckten Kabeln möglichst nicht zu berühren. Bevor man ein Gerät einsteckt oder abzieht, kann man das PC-Metallgehäuse kurz berühren, um statische Ladungen abzuleiten. Eine absolute Sicherheit gegen ESD- oder Blitzschäden gibt es aber nicht, weil sich auch die schädlichen Ladungen nicht immer an die technischen Schutzvorschriften halten. (ciw)
