如何保护USB Type-C连接器免受ESD和过热影响

今天的消费者已经迅速依赖采用 USB-C 或 USB-Type C 通信接口标准的移动设备——从智能手机和平板电脑到可穿戴设备和笔记本电脑。USB 端口还兼作大多数此类设备的快速充电端口。因此，设计针对静电放电 (ESD) 和过热条件的稳健保护从未像现在这样重要。

USB 实施者论坛 (USB-IF) 通过四次重大修订升级了该标准。1 它于 1996 年首次标准化，并一直在以更高的速度发展，并允许更多的电力承载能力。USB 标准从 1.0 版开始，一直到 2.0 版、3.x 版，目前到第 4 版、USB4。表 1列出了从 2.0 到 USB4 的版本，并显示了每个版本的最大吞吐量如何大幅增加。

表 1. USB 标准的演变显示数据传输速率的提高。（来源：Littelfuse, Inc.）

为了处理更高的数据传输速率和更高的功率传输，USB Type-C 电缆和连接器标准已更新至修订版 2.1 2，USB-PD（电力传输）标准已更新至修订版 3.1。图 1显示了可以实现增强型 USB 功能集的 Type-C 连接器。PD 版本允许通过 USB 接口对设备进行充电和供电。最大功率容量已从 2.5 W (5 V @0.5A) 增加到 100 W (20 V @ 5A)，目前扩展功率范围为 240 W (48 V @ 5A)。更高的功率容量将为 USB-C 开启新的供电和充电应用，例如游戏笔记本、扩展坞、4K 显示器和一体机。

图 1：USB Type-A 和 Type-C 连接器。与 Type-A 连接器的 4 针相比，Type-C 连接器有 24 针。Type-C 连接器的信号触点间距为 0.5 mm。。（来源：Littelfuse, Inc.）

对产品可靠性的挑战

虽然不断发展的标准提高了数据传输速率并增加了充电功率，但这些标准并未直接规定保护 USB 接口免受外部危害的具体方法。本文将介绍消除 ESD 和过热条件导致故障可能性的方法。这些技术对于确保产品更可靠、更强大至关重要。

保护 USB 端口免受 ESD 影响

通过电缆和连接器暴露于外部环境的电子电路（例如 USB 端口）是 ESD 的潜在目标。ESD 冲​​击可以通过人的直接接触或通过空气（如果能量源对电子电路产生电弧）发生。ESD 冲​​击可高达 30 kV 或更高，上升时间快，并且可以熔化硅和导体迹线，电流高达 30 A。ESD 具有如此大的能量，可能导致组件完全失效。

此外，ESD 冲​​击会造成更细微的损坏。ESD 引起的电流会导致软故障，包括逻辑器件的状态变化、闩锁或不可预知的行为。这可能导致数据流损坏。需要重新发送数据，这会降低数据传输速率。如果发生闩锁故障，系统将需要重新启动。ESD 还可能导致潜在缺陷，其中组件仍然可以工作，但已退化并可能过早失效。

产品需要对 ESD 具有鲁棒性以实现高可靠性。它们还必须符合 IEC 61000-4-2 3等国际标准，才能在世界所有地区进行销售。图 2显示了 IEC 61000-4-2 规定的 ESD 模拟测试波形，产品必须能够承受 CE 认证。

图 2：IEC 61000-4-2 中规定的 ESD 测试波形。（来源：Littelfuse, Inc.）

有多种产品可用于保护通信端口免受 ESD 损坏。图 3显示了 USB 接口线路的推荐保护组件，具有高达 100 W 的供电能力和高达 240 W 的扩展供电范围。推荐的组件是瞬态电压抑制器 (TVS) 二极管。表 2描述了组件技术及其各自的特性和优势。

图 3：USB 接口框图显示了推荐的 ESD 保护组件（参见表 2）。。(Littelfuse, Inc.)

表 2：推荐的 USB 保护技术（来源：Littelfuse, Inc.）

对于 USB 2.0 线路，请考虑使用 SP3530 单向 TVS 二极管或同等产品。这种 TVS 二极管可以安全地吸收 22kV ESD 冲​​击而不会衰减，几乎是 IEC 61000-4-2 要求的 8kV 水平的 3 倍。通常，0.3 pF 的低电容可以最大限度地减少对信号转换的干扰。该组件采用 0201 表面贴装封装，旨在节省 PC 板空间。

SuperSpeed 线路需要一个具有尽可能低电容的组件，以免降低高速数据传输的性能。例如，SP3213 双向 TVS 二极管，两个阳极到阳极连接的二极管为高达 12 kV 的 ESD 冲​​击提供最低限度的保护。这些二极管通常吸收 20 nA 的漏电流，以最大限度地降低电路功耗，并采用紧凑的 µDFN-2 表面贴装封装。

对于边带使用 (SBU) 和配置通道 (CC) 线路，请考虑 SP1006 单向 TVS 二极管。该组件可以在 µDFN-2 封装中安全地吸收 30 kV ESD 冲​​击。SP1006 是一款非常坚固的 TVS 二极管，符合 AEC-Q101 标准，可用于 USB 通信的汽车应用。4

V总线要求 TVS 二极管能够承受比信号线保护器件更高的功率水平。SPHV 系列 200 W TVS 二极管可保护容量为 100 W 的 Vbus 线路。SPHV 二极管可承受 30 kV 的 ESD 冲​​击，并通过 AEC-Q101 认证，采用表面贴装封装。对于扩展功率范围接口，一个示例解决方案是 SMBJ 二极管。它具有比 SPHV 二极管更高的 600 W 峰值额定功率，并且可以吸收高达 30 kV 的 ESD 冲​​击。与其他推荐用于 USB 端口的 TVS 二极管一样，SMBJ 二极管是表面贴装元件。

每个不同的 TVS 二极管都具有保护一组特定线路免受 ESD 影响所必需的功能，并且不会干扰线路的功能。将这些二极管结合到电路中可以防止立即失效、软失效和潜在的过早失效。

推荐 使用 USB Type-C 数据线快速充电的大问题

保护 USB Type-C 插头和插座免受过热

USB Type-C 连接器的高密度允许更多机会被污垢和灰尘污染，从而导致电源和接地之间的电阻故障。结合 V总线上的更高功率，USB 连接器存在更大的过热风险，这可能会损坏连接器、电缆和连接的端口电子设备。温度升高可能会熔化连接器，或者在最坏的情况下会引发火灾。

防止过热的解决方案是数字温度指示器，其设计符合 USB Type-C 电缆和连接器规范。当温度指示器检测到 100° C 或更高的温度时，其电阻会增加至少五 (5) 个十倍数。本文中引用的示例组件技术是 Littelfuse 独特的setP 数字温度指示器。其特性曲线如图4所示。

图 4：以 Littelfuse setP 为例的温度指示器的电阻与温度曲线。。（来源：Littelfuse, Inc.）

如图 3所示，温度指示器放置在配置通道线中。它没有放置在 V总线中，因此它不会降低任何电压或功率，也不会降低 V总线上的供电容量。如果组件检测到温度达到 100°C，则其电阻会大幅增加。USB 协议将高电阻解释为源连接、V总线和接收器连接、负载之间的开路连接，并且 V总线被停用。

当导致过热的条件得到纠正并且传感器的温度降至 100°C 阈值以下时，其电阻重置为 10 Ω 左右的低温值，并且 V总线重新通电。为获得最佳结果，温度指示器应内置在 USB 插头和/或插座中，以便监测故障源处的连接器温度。

与必须在 V总线中的正温度系数设备或微型断路器不同，数字温度指示器不会消耗功率并降低功率传输能力。此外，这些其他组件仅限于 100 W 和更低的功率，这将阻止它们在扩展功率范围的 USB Type-C 应用中使用。

温度传感器的尺寸应该很小，以便能够在故障源处进行检测。它还应该能够在一 (1) 秒内快速改变其电阻状态，以防止损坏电缆和电子元件。图 5显示了温度指示器如何在过热故障期间保持安全的连接器表面温度。

当温度指示器（A Littelfuse setP）用于过热保护时，连接器表面温度的较低上升比较。。（来源：Littelfuse, Inc.）

概括

如果没有适当的保护，USB Type-C 连接器中的 ESD 或碎屑可能会导致用户日常依赖的宝贵消费电子产品出现现场故障。电子工程师可以通过使用 TVS 二极管保护 USB 线路免受 ESD 和数字温度指示器保护他们的最新设计以防止连接器过热。随着移动设备变得更小、更复杂以及对更快充电的需求不断增加，设计人员面临着寻找更小的表面贴装保护元件以适应有限空间并最小化 PCB 空间以实施必要保护的额外挑战方法。

对这些重要的设计考虑因素的深思熟虑有助于防止最终用户出现问题。它还有助于提高产品性能、延长产品寿命和提高消费者满意度。

审核编辑：汤梓红