使用USB Type-C電纜快速充電的一大問題

Todd Phillips（Littelfuse公司 電子業(yè)務(wù)部）

摘要：符合USB-PD和USB Type-C規(guī)格的快速充電器和電纜可支持高達(dá)100 W的充電功率，因此，設(shè)計(jì)者需要考慮與電纜到設(shè)備連接處的電源和溫度管理相關(guān)的安全問題。緊湊型的PolySwitch setP數(shù)字溫度指示器是為保護(hù)USB-C電纜免受過溫狀況影響而開發(fā)的最新器件之一。

關(guān)鍵詞：USB Type-C；USB-PD；充電      

引言

　　電纜到設(shè)備的連接可能會(huì)積聚污染物，導(dǎo)致它們快速升溫，從而容易損壞或毀壞電纜和移動(dòng)設(shè)備。解決方法：更好的電路設(shè)計(jì)和溫度監(jiān)控。

　　盡管智能手機(jī)和其他移動(dòng)設(shè)備的無線充電越來越普及，但充電線不太可能很快完全消失。這是因?yàn)橛?/span>線充電為某些用戶提供了超越無線充電的顯著優(yōu)勢(shì)——主要是有線充電提供了更快的充電速度。

　　USB開發(fā)者論壇（USB-IF）開發(fā)的USB供電（USB-PD）和USB Type-C連接器以及電纜組件規(guī)范是最新一代有線充電解決方案的核心。USB供電規(guī)范通過單根電纜提供更靈活的電力傳輸和數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了USB的最大功能。

　　符合USB-PD和USB Type-C規(guī)格的快速充電器和電纜可支持高達(dá)100 W的充電功率。根據(jù)所涉及的設(shè)備，這意味著他們可以比無線充電器更快地為手機(jī)或其他設(shè)備充電。帶有足夠長(zhǎng)電纜的有線充電器還允許用戶在充電時(shí)與他們的設(shè)備保持互動(dòng)，這對(duì)于經(jīng)常使用手機(jī)的人來說是一個(gè)主要優(yōu)勢(shì)。

　　盡管這些優(yōu)點(diǎn)對(duì)用戶很重要，但對(duì)于設(shè)計(jì)人員來說，考慮與電纜到設(shè)備連接處的電源和溫度管理相關(guān) 的安全問題同樣重要。如果沒有適當(dāng)?shù)碾娐吩O(shè)計(jì)（包括溫度監(jiān)測(cè)），電纜和連接器可能會(huì)在連接內(nèi)部積聚污染物，導(dǎo)致它們快速升溫，從而容易損壞或損壞電纜和移動(dòng)設(shè)備。

1  USB Type-C有線充電的基礎(chǔ)知識(shí)

　　在任何充電系統(tǒng)中，三個(gè)獨(dú)立的產(chǎn)品必須一起工作——正在充電的設(shè)備、電纜和充電器。USB Type-C（或USB-C）電纜具有一個(gè)或多個(gè)對(duì)稱（因此可逆）24針連接器。USB-C充電器的一端有一個(gè)AC插頭（用于插入墻上插座），另一端是帶有USB-C連接器的電纜（用于插入要充電的設(shè)備）或用于插入在USB-C電纜中的USB-C輸出端口。

　　從安全角度來看，USB-C電纜必須能夠承載適當(dāng)的電壓和電流。對(duì)于帶有外加電纜或固定電纜的充電器，電纜必須能夠承載充電器的最大輸出電壓。帶有USB-C插頭的電纜必須能夠承載21 V電壓和至少3 A的電流。帶有特殊電子標(biāo)記IC的電纜可承載5 A的電流。放置在電源路徑中的任何器件，尤其是保護(hù)器件，也必須能夠承受這些電壓和電流。

2  USB-C充電損壞的根源

      USB-C連接器的引腳間距為0.5 mm——比USB Type-A連接器中的2.5 mm引腳間距更緊密。這種更緊湊的間距顯著增加了可能導(dǎo)致發(fā)熱的故障風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)連接器針腳變形或變臟，金屬顆粒、頭發(fā)或其它碎屑卡在USB-C電纜連接器中時(shí)，可能會(huì)產(chǎn)生電源線到地的阻抗故障。即使僅增加很小的電流時(shí)，這些阻抗故障仍可能導(dǎo)致危險(xiǎn)的溫升。損壞電纜和設(shè)備，甚至引起火災(zāi)的情況已經(jīng)被報(bào)道（圖1）。

　　   保護(hù)USB電纜免于過熱的傳統(tǒng)方法包括在V_BUS電源線上放置聚合物正溫度系數(shù)器件（PPTC）或微型斷路器（也稱為熱斷路器）。所選擇的器件將被放置 在連接器內(nèi)部的印刷電路板上，以感測(cè)由阻抗故障引起的溫度升高。

　　然而，當(dāng)試圖保護(hù)高達(dá)100 W時(shí)，使用這種方法可能會(huì)對(duì)設(shè)計(jì)工程師造成挑戰(zhàn)。在電源線路中添加保護(hù)裝置的一個(gè)缺點(diǎn)是：其電阻，即使只是毫歐姆的電阻，也會(huì)造成有效功率損失，使制造商更難滿足強(qiáng)制性的效率要求。

　　USB-C連接器的封閉性也會(huì)使其很難安裝保護(hù)裝置。適用于保護(hù)60 W充電器的PPTC通常使用1210（3.2 mm×2.5 mm）的封裝，而小型斷路器通常更大。用來保護(hù)100 W的PPTC和微型斷路器需要更大的封裝。此外，微型斷路器的機(jī)械結(jié)構(gòu)相對(duì)較弱，電纜組裝過程有可能使其所用的雙金屬片材料變形，這將阻止它們對(duì)熱故障提供保護(hù)。

3  新位置的新保護(hù)裝置

　　解決這些缺點(diǎn)的一種方法是將一款不同類型的 保護(hù)器件放置在USB-C連接器的數(shù)據(jù)線（CC）上， 而不是V_BUS線上。緊湊型（2.0 mm×1.2 mm）的PolySwitch setP數(shù)字溫度指示器（圖2）是為保護(hù) USB-C電纜免受過溫狀況影響而開發(fā)的最新器件之一。setP器件感應(yīng)到溫度升高，然后“告警”使系統(tǒng)關(guān)閉電源。

　　因?yàn)殡妷焊哂谝?guī)范中規(guī)定的值，充電系統(tǒng)認(rèn)為電纜已經(jīng)脫離，因此充電系統(tǒng)通過V_BUS線關(guān)閉電源。這可以避免連接器，電纜和設(shè)備充電過熱。一旦用戶斷開電纜并從連接器中清除碎屑，電纜就可以恢復(fù)正常操作。

　　憑借緊湊的0805（2.0 mm×1.2 mm）封裝，setP器件比過去在此應(yīng)用中的大多數(shù)其它解決方案至少小30％。它們剛性的物理結(jié)構(gòu)還使它們能夠可靠地承受現(xiàn)代電纜組裝和成型操作。它們非常適合用于USB-C充電線，USB供電充電和帶有USB Type-C充電線的充電器。

4  結(jié)論

        USB-C電纜為用戶提供了一種快速，簡(jiǎn)單的方式來為移動(dòng)設(shè)備充電和傳輸數(shù)據(jù)。現(xiàn)在，隨著溫度指示 新解決方案的開發(fā)，他們可以保證該過程也將更加安全。

作者簡(jiǎn)介：

        Todd Phillips，全球市場(chǎng)經(jīng)理，于2006年加入Littelfuse，現(xiàn)在的業(yè)務(wù)重點(diǎn)是數(shù)據(jù)中心和云設(shè)施、LED照 明以及移動(dòng)和可穿戴市場(chǎng)的垂直細(xì)分市場(chǎng)活動(dòng)。

（注：本文來源于科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2019年第8期第33頁，歡迎您寫論文時(shí)引用，并注明出處。）