USB Type-C有什么问题吗？如何实现电路保护?

电源

通用串行总线（USB）Type-C™引入了一个紧凑型，可逆的数据和电源连接器，也支持USB电源（USB PD）。支持高达100瓦特（5伏特，5安培），USB PD可帮助推动USB Type-C的迅速普及，其中包括快速充电锂离子电池。

然而，与所有版本的USB技术一样，静电放电（ESD）对USB C型系统的敏感硅构成风险。USB Type-C还引入了一些独特的安全挑战：高功率输送，紧凑型连接器，以及消费者可以轻松连接不合规电缆，显着增加了该技术的过电压故障机制，达到可靠的电路保护至关重要

本文概述了USB Type-C电路保护的需要，并介绍了一些样品保护电路和组件。然后介绍如何设计和实施保护电路，以保护这些系统免受所有ESD和过压故障模式的影响。

有关USB PD本身的更多详细信息，请参阅库文章“ USB C型设计和使用供电快速充电 ”。

USB Type-C有什么问题吗？

对所有USB系统实施ESD保护是很好的设计实践。一些标准规定了USB系统（和其他地方）的ESD放电稳健性。例如，EN 55024（“ 信息技术设备 - 抗扰度特性 - 限值和测量方法 ”）要求接触时为4 kV，气隙为8 kV（标准B为临时扰动和自恢复）。

除了影响所有USB系统的ESD风险外，USB Type-C还引入了一些独特的故障模式。这些模式是由于两个因素的组合：USB PD高功率传输和紧凑的几何形状。

由USB PD启用的高功率传输可以由传统USB系统采用，只要它们采用USB 2.0或3.0通信协议。然而，非USB Type-C应用程序的故障风险在一定程度上通过传统USB连接器的更宽松的几何形状得到缓解（图1）。

图1：USB Type-C的流行度部分基于其紧凑的可逆连接器。与旧的USB连接器（如USB Type-A）相比，引脚音高减小。C型减少的针脚间距增加了短裤的概率。（资料来源：www.USB.org）

USB Type-C连接器在A型连接器的四分之一的引脚之间具有间距。降低的引脚间距增加了在受到高电流/电压的同时扭绞电缆或拆卸连接器的可能性会导致灾难性的短路。连接器内的碎屑积聚可能会产生类似的灾难性影响。

此外，Type-C的普及也产生了广泛的第三方电缆和电源适配器。其中许多不能处理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，碎片和非顺应电缆与高电流/电压耦合的机械应力增加了USB Type-C系统短路的风险。如果连接器相邻的V BUS和CC或SBU引脚之间发生短路，下游电路可能会受到20伏特浪涌的损坏（图2）。

图2：通过USB插座（所有引脚未显示）的此部分说明了CC（连接/配置）引脚和SBU（边带/音频适配器附件配置/要定义的附加功能）引脚与总线电源的接近V BUS）。（图片来源：意法半导体）

特别是对PD控制器的短路风险很高，因为器件直接连接到CC引脚，并被设计为最大工作在5伏特。对于这些设备的保护是重要的，因为PD控制器用于在USB PD操作期间协商充电器和充电单元之间的最大电流和电压电平。由于PD控制器损坏，USB PD不正确的操作可能是安全隐患。例如，具有短路的未受保护的墙上适配器将暴露下游PD控制器的损坏（图3）。

图3：有故障的墙上适配器可能会在V BUS和CC引脚之间缩短，使下游PD控制器损坏20伏。（使用Digi-Key Scheme-it®绘制的图表，基于德州仪器的原始来源图像）

ESD电路保护

通过使用安装在所有USB Type-C插头和插座引脚和接地之间的瞬态电压抑制（TVS）二极管，可以相对容易地实现USB Type-C ESD保护。需要仔细选择TVS二极管，因为器件需要具有高电压直流容限以应对所有USB PD充电事件。

意法半导体的ESDARF02-1BU2CK双向单线TVS二极管适用于此应用。在+8千伏（kV）ESD事件期间，器件将线路钳位在30 ns内的19伏特和100 ns内的15伏特（图4）。然而，二极管可以容忍在USB PD操作期间常规发生的20伏直流电。

图4：意法半导体的ESDARF02-1BU2CK TVS二极管响应+8 kV ESD浪涌。峰值电压限制在242伏，电压在30 ns内降到19伏。在USB PD操作期间，二极管还可以容忍高压直流电。（资料来源：意法半导体）

意法半导体提供评估套件STEVAL-OET004V1，允许设计人员试用ESD保护解决方案，其范围从单独使用TVS二极管到采用ECMF04和ECMF02共模扼流圈滤波器和TVS二极管的组合来保护信号完整性当USB Type-C连接用于非常高速的数据传输时。

虽然高电压直流容限的TVS二极管和共模滤波器可以很好地保护瞬态ESD事件，但钳位电压通常远高于USB PD控制器等组件所规定的5伏特限制。这使得TVS二极管单独不适合用于防止持续的高电压，例如发生短路的电压。

过压电路保护

对于全面的USB C型电路保护，ESD保护必须补充有过压保护（OVP），以防止短路。在第一次检查时，这种OVP似乎只需要处理20伏的峰值电压，因为这是在基于V BUS的短路中可能发生的最大电压。

但是并不总是如此。例如，一米USB电缆的电感足以产生振铃，可产生峰值电压为稳态短路电压的两倍。在使用20伏特的USB PD的USB Type-C系统中，在V BUS到短路事件期间，可以在CC或SBU线路上进行高达40伏的电压。USB Type-C OVP必须满足这些高于预期的峰值电压。

USB Type-C OVP的一个相对直接的选择是采用与OVP器件配对的N沟道MOSFET（nMOSFET）。

当监控的输入低于用户可调节的过电压阈值以允许电流流动时，OVP器件会将nMOSFET栅极驱动为高电平。当输入电压超过在短路期间会发生的过电压阈值时，nMOSFET被拉低，从负载断开输入。除了OVP器件，保护解决方案还需要一个电荷泵来保持6.5至8伏的栅极电压。该电压需要使nMOSFET在低电阻区域中工作，以适应正常的USB C型操作的5伏直流电。

当发生旁路电缆的V BUS到短路事件时，情况进一步复杂化。由于在这种“无电缆”情况下插座的电感如此低，所以达到短路峰值电压的90％的上升时间可以小于10纳秒。这种突然的上升超出了nMOSFET的反应时间，使下游组件暴露于电压损坏。电缆旁路也会降低插座的电阻，使系统比电缆存在时要高得多。因此，需要额外的夹紧部件来防止这些类型的短路（图5）。

图5：USB C型CC1和CC2引脚的ESD和OVP电路原理图。每条线路的解决方案包括nMOSFET，OVP器件，电荷泵和钳位元件。SBU线将需要类似的保护。（图片来源：德州仪器）

基于nMOSFET，OVP器件，电荷泵和钳位部件，保护电路包括每个CC引脚约15个分立部件。也需要类似的电路来保护SBU线路。这意味着一大笔物料清单（BOM），仅供保护。

简化保护（缩短BOM）

USB Type-C电路保护可以通过用诸如德州仪器的TPD8S300等单片器件替换分立元件解决方案来简化。该器件采用3 x 3 mm QFN封装解决方案集成了整个V BUS至短OVP和ESD保护系统（图6）。

图6：该应用电路显示单个TPD8S300如何为下游USB PD控制器提供ESD和OVP保护。（V BUS需要额外的ESD和OVP保护以实现全面的解决方案。）（图像来源：德州仪器）

而不是一个复杂的离散解决方案，工程师只能将一个TPD8S300添加到USB Type-C实现中，以满足其整个IEC 61000-4-2 ESD和V BUS至短OVP要求。TPD8S300包括四路V BUS到短路保护（CC和SBU引脚），8路ESD保护（CC，SBU和USB 2.0引脚）和死电池电阻。图6的电路的响应使得CC1引脚上的电压在6.5伏特峰值处峰值，但在小于100纳秒内被钳位到0.5伏特（图7）。

图7：图6中应用电路对V BUS和CC1 之间的20 V短路的响应。CC1引脚上的电压（绿色线路）峰值峰值为6.5 V，但在100 ns内被钳位为0.5 V。（图片来源：德州仪器）

结论

具有USB PD的USB C型系统可承载20伏和5安培。结合具有窄引脚间距的紧凑型连接器和插座，如此高的电压和电流放大了短路的风险（特别是在与V BUS导轨相邻的CC和SBU引脚上），使OVP保护成为必需。

可以使用分立组件实现USB Type-C系统的全面的ESD和OVP，但是这种方法可以产生数十个组件的解决方案，这些组件可能难以适应BOM和分配给解决方案的空间。

如图所示，将ESD和OVP电路集成到单个芯片中的替代方法大大简化了设计并减少了解决方案的尺寸。

参考