不斷升級的USB-C接口

盤點一下我們身邊電子設備外殼上各式各樣的接口，你可能會發(fā)現(xiàn)，它們的種類和數(shù)量正在減少。但與此同時有一個接口上鏡的機會卻越來越多，這個接口就是USB Type-C（以下簡稱USB-C）。

根據(jù)HIS的市場研究數(shù)據(jù)，2021年全球配備USB-C接口的設備出貨量接近50億部，在智能手機、平板和筆記本電腦等數(shù)以億計的消費電子產(chǎn)品及其相關配套組件中，USB-C已經(jīng)成為標配。

從2015年進入商用，USB-C能夠以如此快的速度占領市場、一統(tǒng)江湖，并不是偶然的。要說USB-C究竟好在哪？隨便找來一個非專業(yè)人士的普通消費者也能擺出好幾條：外形小、支持正反插、可以雙向供電，數(shù)據(jù)視頻傳輸一肩挑……當然其中尤為關鍵的肯定是下面這兩條：數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣雀?，電力傳輸?shù)男矢咝А?/p>

新標準帶來的新挑戰(zhàn)

在標準定義之初，USB-IF就是以一個”具有技術前瞻性的物理接口”這樣的定位來打造USB-C的。事實也表明，這些年USB在數(shù)據(jù)傳輸和電力傳輸方面標準的提升背后，USB-C提供的有力支撐功不可沒。

具體來講，經(jīng)過了多年的迭代，USB的數(shù)據(jù)傳輸標準已經(jīng)從USB 1.0的1.5Mbps、USB 2.0的480Mbps，提升到了USB 4.0的40Gbps。能夠有這樣的底氣和迭代速度，與USB-C提供的雙通道（x2）架構是不無關系的。

圖1：USB數(shù)據(jù)傳輸標準的升級之路

（圖源：Littelfuse）

從電力傳輸方面來看，USB-C應用伊始，其支持高達100W（20V @ 5A）的USB PD協(xié)議就是一個關鍵的賣點。這一功能使得可以通過USB-C接口供電的設備范圍大大擴展，而且也使得其成為被“能源焦慮癥”困擾的智能手機提升充電功率的堅實支點。去年5月，USB-IF發(fā)布了新的USB PD 3.1標準，更是將USB-C支持的上限輸出功率從之前USB PD 3.0規(guī)定的100W，提升到了240W（48V @ 5A）！如果與2010年推出的7.5W的USB BC1.2比較，在十年間USB的電力傳輸能力增長達32倍！

而且USB-C中專門定義了用于PD協(xié)議傳輸?shù)腃C線路，負責在供電和受電設備之間協(xié)商電力協(xié)議，這就使得可編程電源PPS（Programmable Power Supply）的實現(xiàn)成為可能，也確保了基于USB-C的快充可以實現(xiàn)更高的能效。

可以說，與其他的接口相比，USB-C物理接口標準與數(shù)據(jù)傳輸標準以及USB PC功率傳輸標準相互支撐，協(xié)同推進，成就了其今天穩(wěn)固的江湖地位。

不過，所謂“能力越大，責任越大”，USB-C在數(shù)據(jù)和電力傳輸上能力的提升，也帶來了新的挑戰(zhàn)，特別是來自可靠性與穩(wěn)定性方面的挑戰(zhàn)。這是因為，這些標準在制訂時并未直接規(guī)定保護USB接口免受外部危害的具體方法，而在實際應用中，由于USB-C外形更小，連接密度更大，在接口的電路保護方面面臨的壓力會更大，尤其是在靜電防護（ESD）和過熱保護兩方面，必須有針對性的方案確保USB-C接口的可靠性。

圖2：與傳統(tǒng)的4針腳USB-A連接器相比，USB-C連接器有24針，信號觸點間距僅為0.5mm

（圖源：Littelfuse）

構筑全方位的ESD防護

我們先來看看ESD防護。USB-C連接器和電纜暴露于外部環(huán)境的電子電路中，難免會受到人的直接接觸或電弧等帶來的ESD沖擊，這種沖擊電壓可達30kV或更高，瞬間電流高達30A，這樣的高能量可以熔化硅和導線，導致元件完全失效。即使沒有造成這種“硬”傷害，ESD引起的電流也可能導致“軟”故障，包括邏輯器件的狀態(tài)變化、閂鎖或不可預知的行為，這就會影響數(shù)據(jù)傳輸速度，導致系統(tǒng)誤啟動，或者造成一些潛在的缺陷，影響元器件的可靠性或者減少其使用壽命。因此，對于USB-C接口這種存在ESD高風險的“界面”，必須嚴密設防。

不過，對于USB-C接口來說，想要全面設防ESD并不簡單，其面臨著一些前所未有的挑戰(zhàn)：

與僅有4引腳的USB-A連接器相比，USB-C接口的引腳數(shù)量達到了24條，而尺寸又被大大地壓縮了，因此保護元件必須擁有更緊湊的外形。在這樣的情況下，占板面積較大的分立保護元件的應用會受到限制，具有更高封裝密度的方案（如TVS二極管陣列）就成了更理想的選擇。

與此同時，這24個引腳（線路）的角色各不相同，對于ESD沖擊的防護要求也有很大的差別。比如對于電源傳輸線的ESD保護元件，額定電壓是一個很重要的指標；而對于數(shù)據(jù)線，為了支持高速率的數(shù)據(jù)傳輸，對于ESD防護元件的低電容值會更為敏感，這是因為電容會弱化傳輸?shù)男盘?，電容容值越高對信號的衰減作用會越明顯，因此傳輸速率越高的數(shù)據(jù)接口，也就需要更低電容值的ESD抑制元件。

圖3：USB-C接口ESD防護解決方案

（圖源：Littelfuse）

圖3展示了一個典型USB-C接口的ESD防護解決方案，可以看到需要保護的線路包括USB 2.0、SuperSpeed、SBU、CC、Vbus五種，分別對應圖中的II、III、IV、V四類情況。每一條線路的ESD防護要求都不同，而我們的解決方案卻要盡可能做得面面俱到。

如果我們分別針對每個線路的ESD防護規(guī)格，進行保護元件的選型，這無疑是一個費時費力的過程。為了解決工程師的這個煩惱，Littelfuse提供了一個完整的解決方案，為每個線路的ESD匹配了合適的保護元件。下面我們對這一方案做個細致地觀察。

USB 2.0線路

先來看對于USB 2.0線路的保護，這個引腳是USB-C為了兼容之前USB 2.0數(shù)據(jù)傳輸標準而專門保留的，支持480Mbps的傳輸速度，其ESD防護需要滿足IEC 61000-4-2標準要求的8kV水平，且需要具有較低的電容以滿足高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊蟆ittelfuse方案中，為此匹配的保護器件是SP3530單向TVS二極管，該器件可以安全地吸收高達22kV的ESD能量沖擊，接近IEC 61000-4-2要求的3倍，而且不會衰減；同時，0.3pF的低電容也可以盡可能地減少對信號轉換的干擾。0201的SMD封裝外形也足夠小巧，不會占用太大的PCB面積。

圖4：SP3530單向TVS二極管

（圖源：Littelfuse）

SuperSpeed線路

接下來我們來看看SuperSpeed線路，這幾個引腳是USB-C接口實現(xiàn)數(shù)十Gbps數(shù)據(jù)傳輸速率的關鍵，肯定需要一顆具有盡可能低電容的保護元件，以免影響超高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)男阅?。因此，Littelfuse的電容僅為0.09pF的SP3213雙向TVS二極管陣列成為了理想選擇，它可以為超高速信號傳輸提供出色的信號完整性，并提供12kV的ESD防護能力，安全地吸收重復性靜電放電沖擊，且性能不會下降，還可以安全地耗散2A的8/20μs浪涌電流（IEC 61000-4-5第2版）。同時，由于采用緊湊的μDFN-2表面貼裝封裝，滿足小型化的設計要求也不在話下。

圖5：SP3213雙向TVS二極管陣列

（圖源：Littelfuse）

SBU和CC線路

我們要考慮的第三種情況是供邊帶使用（SBU）和配置通道（CC）的線路，它們雖然也是信號傳輸通道，但是與USB 2.0和SuperSpeed線路相比，數(shù)據(jù)傳輸速率比較低，因此可以選擇電容較高的TVS器件，以便在性能和成本上實現(xiàn)極佳的平衡。Littelfuse的SP1006單向TVS二極管陣列正好可以滿足這個要求，其同樣采用0201尺寸μDFN-2封裝，可以安全吸收30kV的可重復性ESD接觸放電，并安全地耗散5A的8/20μS浪涌電流，鉗位電壓很低。

圖6：SP1006單向TVS二極管陣列

（圖源：Littelfuse）

Vbus線路

與上面四條信號線路相比，Vbus電源線的ESD保護要求有些不同，在這里使用的TVS二極管需要能夠承受比信號線保護器件更高的功率水平。根據(jù)USB PD標準的要求，Vbus線路上可以傳輸電壓高達20V，而普通的ESD保護器件通常只能承受5V、6V或者12V的電壓。Littelfuse的SPHV系列TVS二極管就是專為20V功率線路的保護應用而設計的，其200W的功率容量對于保護100W的Vbus線路顯然是游刃有余。SPHV系列TVS二極管同樣采用表面貼裝封裝，可承受30kV的ESD沖擊，并通過了AEC-Q101車規(guī)認證。

圖7：SPHV和SPHV-C TVS二極管

（圖源：Littelfuse）

前文曾經(jīng)提到，新的USB PD 3.1標準將支持的上限功率擴展到了240W，相應地線路上的上限電壓也提升到了42V。面對這一新變化，ESD器件的耐壓能力當然也要升級。為此，Littelfuse的SMBJ TVS二極管可堪重用，它具有高達600W的峰值額定功率，可以吸收高達30kV的ESD沖擊，表面貼裝的封裝也確保了其足夠“纖細”的外形。

有了上述這些TVS二極管器件的全面守護，USB-C接口的ESD防護可以說是高枕無憂了。

不同以往的過熱保護

隨著USB-C支持的功率水平不斷升級，另一個可靠性風險也會增加，這就是連接器插頭和插座的過溫（過熱）。

USB-C連接器互連密度高（引腳間距僅有0.5mm），作為電子設備與外界的接口，更容易受到污垢和灰塵等雜質(zhì)的污染，從而導致電源與接地之間的電阻性故障。Vbus線路上承載的功率越高，USB連接器的過熱風險也就越大，這不僅可能會損壞連接器、電纜和連接端口中的元器件，過高的溫度還可能會熔化連接器，甚至引發(fā)火災。

傳統(tǒng)的防止USB接口線纜過熱的方法，是在Vbus電源線上裝配一個PPTC可恢復式保險絲或者一個小型斷路器，它們被內(nèi)置在連接器內(nèi)部的一個PCB線路板上去監(jiān)測可能帶來風險的溫升。

不過當功率提升到100W以上時，這種方法的短板就顯現(xiàn)出來了。這主要是因為，串聯(lián)在電源線上的這些保護元件具有內(nèi)阻，即使僅有幾毫歐的內(nèi)阻，在高功率的線路上也會造成顯著的功率損耗，這就讓設備制造商應對越來越嚴苛的能耗標準的難度加大。

此外，使用PPTC可恢復式保險絲或者小型斷路器，開發(fā)者在小型化設計上的挑戰(zhàn)也會更大。比如，一個60W充電器所需的PPTC，其占板面積為就有3.2mm × 2.5mm，小型斷路器的外形會更大；而當功率提升到100W以上時，這些保護元件的尺寸還會有顯著地增加。

因此，想要實現(xiàn)可靠的USB-C連接器過熱保護，必須有些新辦法。Littelfuse對此給出的解決方案就是獨特的setP?數(shù)字溫度指示器。

圖8：setP?溫度指示器

（圖源：Littelfuse）

與將保護元件串聯(lián)在Vbus電源線上的老辦法不同，setP?溫度指示器是串聯(lián)在CC控制線路上的（如圖3中的I所示）。當該元件檢測到100°C以上的溫度時，其電阻會大幅增加，這時USB PD協(xié)議將高電阻解釋為源連接、Vbus和接收器連接、負載之間的斷開連接，會將Vbus線路停用，由此阻止過熱情況的加劇。當導致過熱的條件得到糾正，setP?檢測到的溫度降至100°C以下時，其阻值會重置為10Ω左右的低阻狀態(tài)，這時Vbus會重新通電。

圖9：setP?溫度指示器的電阻-溫度曲線

（圖源：Littelfuse）

很顯然，這種方案既可以保護100W或更高功率的系統(tǒng)，也不會因為串聯(lián)在電源線上的內(nèi)阻造成功率損耗，可謂是一石二鳥。加之setP?溫度指示器采用2.0mm x 1.2mm的緊湊尺寸，SMD的封裝與回流焊工藝兼容，因此其在未來功率更高的USB-C應用中是非常合適的解決方案。

本文小結

功能上兼收并蓄，性能上不斷升級——憑借這兩招兒，USB-C已經(jīng)成為今天市場上炙手可熱的外設接口，沒有之一。

而伴隨著USB-C接口技術的不斷迭代升級，與之相配套的電路保護技術也必須同步跟進，這樣才能以過硬的可靠性和安全性，為終端用戶提供一個性能不打折扣的接口連接解決方案，而不是一個徒有USB-C其表的“樣子貨”。

針對這樣的需求，Littelfuse給出的解決方案不僅能夠覆蓋USB-C各個線路保護“個性化”的設計需求，還具有足夠的前瞻性和“提前量”，緊跟USB新標準的步伐。

圖10：Littelfuse USB-C保護解決方案推薦產(chǎn)品一覽

（圖源：Littelfuse）

因此，面對不斷升級的USB-C接口，如果你正在考慮對USB-C接口的保護方案來一次全面的升級，Littelfuse的這些解決方案應該正合你的胃口。