如何保護(hù)USB Type-C連接器免受靜電放電和過(guò)熱影響

今天的消費(fèi)者已經(jīng)很快地對(duì)采用 USB-C 或 USB-Type C 通信接口標(biāo)準(zhǔn)的移動(dòng)設(shè)備變得依賴——從智能手機(jī)和平板電腦到可穿戴設(shè)備和筆記本電腦。USB端口還兼作大多數(shù)此類設(shè)備的快速充電端口。 因此，設(shè)計(jì)針對(duì)靜電放電 (ESD) 和過(guò)熱條件的強(qiáng)大保護(hù)從未像現(xiàn)在這樣重要。

USB-Implementers Forum (USB-IF) 對(duì)該標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了四次重大修訂1。它于 1996 年首次進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，并一直在以更高的速度發(fā)展并允許更大的功率承載能力。 USB 標(biāo)準(zhǔn)從 1.0 版開(kāi)始，一直發(fā)展到 2.0 版、3.x 版，目前更新至第 4 版、USB4。 表 1 列出了從 2.0 到 USB4 的版本，并顯示了每個(gè)版本的能力是如何大幅增加的。

為了處理更高的數(shù)據(jù)傳輸速率和更高的功率傳輸，USB Type-C 電纜和連接器標(biāo)準(zhǔn)已更新至2.12版本，USB-PD（功率傳輸）標(biāo)準(zhǔn)已更新至3.1版本。 圖 1 顯示了可以實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)型 USB 功能集的 Type-C 連接器。 PD 版本允許通過(guò) USB 接口對(duì)設(shè)備進(jìn)行充電和供電。 最大功率容量從 2.5 W (5 V @0.5A) 增加至100 W (20 V @ 5A)，目前已到 240 W (48 V @ 5A) 的功率范圍。 更高的功率容量將為 USB-C 開(kāi)啟新的供電和充電應(yīng)用，例如游戲筆記本電腦、擴(kuò)展底座、4K 顯示器和電腦一體機(jī)。

圖 1：USB Type-A 和 Type-C 連接器。 與 Type-A 連接器的 4 針相比，Type-C 連接器有 24 針。 Type-C 連接器的信號(hào)觸點(diǎn)間距為 0.5 mm。（來(lái)源：Littelfuse公司）

對(duì)產(chǎn)品可靠性的挑戰(zhàn)

雖然不斷發(fā)展的標(biāo)準(zhǔn)提高了數(shù)據(jù)傳輸速率并增加了充電功率，但這些標(biāo)準(zhǔn)并未直接規(guī)定保護(hù)USB 接口免受外部危害的具體方法。本文將介紹消除靜電放電和過(guò)熱條件導(dǎo)致故障可能性的方法。 這些技術(shù)對(duì)于確保產(chǎn)品更可靠、更強(qiáng)大至關(guān)重要。

保護(hù) USB 端口免受靜電放電影響

通過(guò)電纜和連接器暴露于外部環(huán)境的電子電路（例如 USB 端口）是靜電放電（ESD）的潛在目標(biāo)。ESD 沖擊可以通過(guò)人的直接接觸或通過(guò)空氣發(fā)生（如果能量源對(duì)電子電路產(chǎn)生電?。?。 ESD 沖擊可高達(dá) 30 kV 或更高，上升時(shí)間快，并且可以熔化硅和導(dǎo)線，電流高達(dá) 30 A。ESD 具有如此大的能量，可能導(dǎo)致元件完全失效。

此外，ESD 沖擊會(huì)造成更微妙的損壞。 ESD引起的電流會(huì)導(dǎo)致軟故障，包括邏輯器件的狀態(tài)變化、閂鎖或不可預(yù)知的行為。 這可能會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)流損壞。 需要重新發(fā)送數(shù)據(jù)，這會(huì)降低數(shù)據(jù)傳輸速率。如果發(fā)生閂鎖故障，系統(tǒng)將需要重新啟動(dòng)。ESD 還可能導(dǎo)致潛在缺陷，其中元件仍然可以工作，但已退化并可能過(guò)早失效。

產(chǎn)品需要具有強(qiáng)大的防靜電能力，以獲得高可靠性。它們還必須符合IEC 61000-4-2等國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，才能在世界上所有地區(qū)進(jìn)行銷售。圖2顯示了IEC 61000-4-2規(guī)定的靜電放電模擬測(cè)試波形，產(chǎn)品必須能夠通過(guò)CE認(rèn)證。

圖 2：IEC 61000-4-2 中規(guī)定的 ESD 測(cè)試波形。（來(lái)源：Littelfuse公司）

有多種產(chǎn)品可用于保護(hù)通信端口免受 ESD 損壞。 圖 3 顯示了推薦的保護(hù)元件可以用于具有高達(dá) 100 W 的供電能力和高達(dá) 240 W 的擴(kuò)展供電范圍的USB 接口線路。推薦的元件是瞬態(tài)電壓抑制器 (TVS) 二極管。 表 2 描述了元件技術(shù)及其各自的特性和優(yōu)勢(shì)。

圖 3：USB 接口框圖顯示了推薦的 ESD 保護(hù)元件（參見(jiàn)表 2）。 (Littelfuse公司)

表 2：推薦的 USB 保護(hù)技術(shù)（來(lái)源：Littelfuse公司）

對(duì)于 USB 2.0 線路，請(qǐng)考慮使用 SP3530 單向 TVS 二極管或同等產(chǎn)品。 這種 TVS 二極管可以安全地吸收 22kV ESD 沖擊，幾乎是 IEC 61000-4-2 要求的 8kV 水平的 3 倍，而且不會(huì)衰減。 通常，0.3 pF 的低電容可以最大限度地減少對(duì)信號(hào)轉(zhuǎn)換的干擾。 該元件采用 0201 表面貼裝封裝，旨在節(jié)省 PC 板空間。

SuperSpeed 線路需要一個(gè)具有盡可能低電容的元件，以免降低高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)男阅堋?nbsp;例如，SP3213 雙向 TVS 二極管，兩個(gè)陽(yáng)極到陽(yáng)極連接的二極管為高達(dá) 12 kV 的 ESD 沖擊提供保護(hù)。這些二極管通常只有 20 nA 的漏電流，以最大限度地降低電路功耗，并采用緊湊的 μDFN-2 表面貼裝封裝。

對(duì)于邊帶使用 (SBU) 和配置通道 (CC) 線路，請(qǐng)考慮 SP1006 單向 TVS 二極管。該元件可以在 μDFN-2 封裝中安全地吸收 30 kV ESD 沖擊。SP1006 是一款非常可靠的 TVS 二極管，符合 AEC-Q101 標(biāo)準(zhǔn)，適用于 USB 通信的汽車應(yīng)用。 4

Vbus 線路要求 TVS 二極管能夠承受比信號(hào)線保護(hù)器件更高的功率水平。 SPHV 系列 200 W TVS 二極管可保護(hù)容量為 100 W 的Vbus線路。 SPHV 二極管可承受 30 kV 的 ESD 沖擊，并通過(guò) AEC-Q101 認(rèn)證，采用表面貼裝封裝。 對(duì)于擴(kuò)展功率范圍接口，一個(gè)示例解決方案是 SMBJ 二極管。 它具有比 SPHV 二極管更高的 600 W 峰值額定功率，并且可以吸收高達(dá) 30 kV 的 ESD 沖擊。 與其它推薦用于 USB 端口的 TVS 二極管一樣，SMBJ 二極管是表面貼裝元件。

每個(gè)不同的 TVS 二極管都具有保護(hù)一組特定線路免受 ESD 影響所必需的功能，并且不會(huì)干擾線路的功能。將這些二極管結(jié)合到電路中可以防止即時(shí)故障、軟故障和潛在的過(guò)早失效。

防止USB Type-C插頭和插座過(guò)熱

USB Type-C連接器密度高，更容易受到污垢和灰塵的污染，從而導(dǎo)致電源與接地之間的電阻性故障。再加上Vbus線路上的較高功率，USB 連接器存在更大的過(guò)熱風(fēng)險(xiǎn)，這可能會(huì)損壞連接器、電纜和連接的端口電子設(shè)備。溫度升高可能會(huì)熔化連接器，或者在最糟糕的情況下引發(fā)火災(zāi)。

防止過(guò)熱的解決方案是數(shù)字溫度指示器，其設(shè)計(jì)符合 USB Type-C 電纜和連接器規(guī)范。 當(dāng)溫度指示器檢測(cè)到 100° C 或更高的溫度時(shí)，其電阻會(huì)增加至少五 (5) 個(gè)十倍數(shù)。 本文中引用的示例元件技術(shù)是 Littelfuse 獨(dú)特的setP數(shù)字溫度指示器。 其特性曲線如圖4所示。

圖4：以Littelfuse SETP為例的溫度指示器的電阻-溫度曲線。 (來(lái)源：Littelfuse公司)

如圖 3 所示，溫度指示器放置在配置通道線中。它沒(méi)有放置在 Vbus 線路中，因此它不會(huì)降低任何電壓或功率，也不會(huì)降低 Vbus 線路上的供電容量。 如果組件檢測(cè)到溫度達(dá)到 100°C，則其電阻會(huì)大幅增加。 USB 協(xié)議將高電阻解釋為源連接、Vbus和接收器連接、負(fù)載之間的開(kāi)路連接，并且 Vbus 線路被停用。

當(dāng)導(dǎo)致過(guò)熱的條件得到糾正并且傳感器的溫度降至 100°C 閾值以下時(shí)，其電阻重置為 10 Ω 左右的低溫值，并且 Vbus 重新通電。 為獲得最佳結(jié)果，溫度指示器應(yīng)內(nèi)置在 USB 插頭和/或插座中，以便監(jiān)測(cè)故障源處的連接器溫度。

與必須在 Vbus 線路中的正溫度系數(shù)設(shè)備或小型斷路器不同，數(shù)字溫度指示器不會(huì)消耗功率并降低功率輸送能力。 此外，這些其它元件僅限于 100 W 和更低的功率，這將阻止它們?cè)跀U(kuò)展功率范圍的 USB Type-C 應(yīng)用中使用。

溫度傳感器的尺寸應(yīng)較小，以便能夠在故障源進(jìn)行檢測(cè)。它還應(yīng)該能夠在最快一(1)秒內(nèi)改變其電阻狀態(tài)，以防止損壞電纜和電子元件。圖 5 顯示了溫度指示器如何在過(guò)熱故障期間保持安全的連接器表面溫度。

當(dāng)溫度指示器（A Littelfuse setP）用于過(guò)熱保護(hù)時(shí)，連接器表面溫度的較低上升比較。（來(lái)源：Littelfuse公司）

總結(jié)

如果沒(méi)有適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)，USB Type-C 連接器中的 ESD 或碎屑可能會(huì)導(dǎo)致用戶日常依賴的貴重消費(fèi)電子產(chǎn)品出現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)故障。 電子工程師可以通過(guò)使用 TVS 二極管保護(hù) USB 線路免受 ESD干擾， 使用數(shù)字溫度指示器以防止連接器過(guò)熱，從而保護(hù)他們的最新設(shè)計(jì)。 隨著移動(dòng)設(shè)備變得更小、更復(fù)雜以及對(duì)更快充電的需求不斷增加，設(shè)計(jì)人員面臨著額外的挑戰(zhàn)，即尋找更小的表面貼裝保護(hù)元件以適應(yīng)有限的空間并最大限度地減少 PCB 空間以實(shí)施必要的保護(hù)。

預(yù)先考慮這些重要的設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)有助于防止最終用戶出現(xiàn)問(wèn)題。它還有助于提高產(chǎn)品性能、延長(zhǎng)產(chǎn)品壽命和提高消費(fèi)者滿意度。