通用串行总线 (USB) Type-C™ 推出了一种紧凑型、可反转的数据和电源连接器,同时支持 USB 功率输送 (USB PD)。USB PD 支持功率高达 100 W(20 V,5 A),除通用功能外,并因其支持锂电池快速充电功能,从而推动了 USB Type-C 的迅速普及。
然而,与所有版本 USB 技术一样,静电放电 (ESD) 会对 USB Type-C 系统的敏感硅器件构成风险。USB Type-C 还导致了一些特有的安全挑战:高功率输送、紧凑的连接器、消费者可以轻松连接不合规的电缆,这大大增加了该技术的过压故障概率,因此可靠的电路保护至关重要。
本文概述了对 USB Type-C 电路保护的需求,并介绍了一些保护电路和元器件实例。然后解释如何设计并实现保护这些系统不受 ESD 和过压故障模式影响的保护电路。
有关 USB PD 本身的更多详细信息,请参阅文库文章,“设计导入 USB Type-C 并使用其功率输送功能实现快速充电”。
USB Type-C 会出现什么问题?
对所有 USB 系统实施 ESD 保护是一种良好的设计原则。一些标准规定了 USB 系统(和其他地方)中的 ESD 放电稳健性要求。例如,EN 55024(“信息技术设备 - 抗扰度特性 - 限值和测量方法”)规定能经受 4 kV 接触放电,以及 8 kV 空气放电(标准 B:瞬时扰动和自恢复)
除了影响所有 USB 系统的 ESD 风险外,USB Type-C 还导致了一些特有的故障模式。这些模式由两种因素共同影响造成:USB PD 高功率输送和紧凑的几何形状。
如果传统 USB 系统采用 USB 2.0 或 3.0 通信协议,则可以使用 USB PD 实现高功率输送。然而,传统 USB 连接器(图 1)对几何形状的要求并不那么严格,在一定程度上降低了非 USB Type-C 应用的故障风险。
图 1:USB Type-C 的普及一定程度上归因于其紧凑、可反转的连接器。而缺点是引脚间距小于像 USB Type-A 之类旧版 USB 连接器。Type-C 引脚间距减小,导致短路概率增大。(资料来源:www.USB.org)
USB Type-C 连接器的引脚间距仅是 Type A 连接器的四分之一。当引脚间距减小后,在高电流/电压条件下,扭转电缆或拔下连接器时会导致灾难性短路概率增大。连接器内的碎屑堆积可能造成类似的灾难性后果。
此外,Type-C 的普及促成了大量第三方电缆和电源适配器。其中多数无法适应 USB Type-C 和 USB PD 标准支持的高电流。
与其他版本的 USB 技术相比,紧凑型连接器的机械应力、碎屑和不合规电缆,以及高电流/电压增加了 USB Type-C 系统短路的风险。如果连接器的相邻引脚 VBUS和 CC 或 SBU 之间发生短路,下游电路可能会受到 20 V 浪涌电压的损坏(图 2)。
图 2:USB 插座(未显示所有引脚)剖面图说明了 CC(连接/配置)引脚与 SBU(边带/音频适配器附件配置/需定义的附加功能)引脚相邻于总线电源 (VBUS)。(图片来源:STMicroelectronics)
PD 控制器的短路风险特别高,因为器件直接连接 CC 引脚并且设计最高运行电压为 5 V。由于在 USB PD 期间,PD 控制器负责协调充电器和被充电装置之间的最大电流和电压电平,因此保护好这些器件非常重要。PD 控制器损坏引起的 USB PD 异常运行,可能成为安全隐患。例如,未受保护的壁式适配器发生短路时,会导致下游 PD 控制器受损(图 3)。
图 3:故障壁式适配器可能会在 VBUS和 CC 引脚之间短路,使下游 PD 控制器面临 20 V 的电压伤害。(示意图使用Digi-Key Scheme-it®参照Texas instruments原图绘制)
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