【導讀】今天的消費者已經很快地對采用 USB-C 或 USB-Type C 通信接口標準的移動設備變得依賴——從智能手機和平板電腦到可穿戴設備和筆記本電腦。因此，設計針對靜電放電 (ESD) 和過熱條件的強大保護從未像現在這樣重要。
本文介紹可保護USB Type-C連接器免受靜電放電和過熱影響的組件
今天的消費者已經很快地對采用 USB-C 或 USB-Type C 通信接口標準的移動設備變得依賴——從智能手機和平板電腦到可穿戴設備和筆記本電腦。因此，設計針對靜電放電 (ESD) 和過熱條件的強大保護從未像現在這樣重要。
為了處理更高的數據傳輸速率和更高的功率傳輸，USB Type-C 電纜和連接器標準已更新至2.12版本，USB-PD（功率傳輸）標準已更新至3.1版本。 圖 1 顯示了可以實現增強型 USB 功能集的 Type-C 連接器。PD 版本允許通過 USB 接口對設備進行充電和供電。 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 開啟新的供電和充電應用，例如游戲筆記本電腦、擴展底座、4K 顯示器和電腦一體機。
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 連接器的信號觸點間距為 0.5 mm
對產品可靠性的挑戰
本文將介紹消除靜電放電和過熱條件導致故障可能性的方法。 這些技術對于確保產品更可靠、更強大至關重要。
保護 USB 端口免受靜電放電影響
通過電纜和連接器暴露于外部環境的電子電路（例如 USB 端口）是靜電放電（ESD）的潛在目標。ESD 沖擊可以通過人的直接接觸或通過空氣發生（如果能量源對電子電路產生電弧）。ESD 沖擊可高達 30 kV 或更高，上升時間快，并且可以熔化硅和導線，電流高達 30 A。ESD 具有如此大的能量，可能導致元件完全失效。
產品需要具有強大的防靜電能力，以獲得高可靠性。它們還必須符合IEC 61000-4-2等國際標準，才能在世界上所有地區進行銷售。圖2顯示了IEC 61000-4-2規定的靜電放電模擬測試波形，產品必須能夠通過CE認證。
圖 2：IEC 61000-4-2 中規定的 ESD 測試波形
有多種產品可用于保護通信端口免受 ESD 損壞。 圖 3 顯示了推薦的保護元件可以用于具有高達 100 W 的供電能力和高達 240 W 的擴展供電范圍的USB 接口線路。推薦的元件是瞬態電壓抑制器 (TVS) 二極管。 表 2 描述了元件技術及其各自的特性和優勢。
圖 3：USB 接口框圖顯示了推薦的
ESD 保護元件
（參見表 2)
表 2：推薦的 USB 保護技術
對于 USB 2.0 線路，請考慮使用 SP3530 單向 TVS 二極管或同等產品。 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，而且不會衰減。
對于邊帶使用 (SBU) 和配置通道 (CC) 線路，請考慮 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 標準，適用于 USB 通信的汽車應用。
Vbus 線路要求 TVS 二極管能夠承受比信號線保護器件更高的功率水平。SPHV 系列 200 W TVS 二極管可保護容量為 100 W 的Vbus線路。SPHV 二極管可承受 30 kV 的 ESD 沖擊，并通過 AEC-Q101 認證，采用表面貼裝封裝。 對于擴展功率范圍接口，一個示例解決方案是 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 30 kV 的 ESD 沖擊。
防止USB Type-C插頭和插座過熱
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熱風險，這可能會損壞連接器、電纜和連接的端口電子設備。溫度升高可能會熔化連接器，或者在最糟糕的情況下引發火災。
防止過熱的解決方案是數字溫度指示器，其設計符合 USB Type-C 電纜和連接器規范。 當溫度指示器檢測到 100° C 或更高的溫度時，其電阻會增加至少五 (5) 個十倍數。 本文中引用的示例元件技術是 Littelfuse 獨特的setP數字溫度指示器。 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
如圖 3 所示，溫度指示器放置在配置通道線中。它沒有放置在 Vbus 線路中，因此它不會降低任何電壓或功率，也不會降低 Vbus 線路上的供電容量。 如果組件檢測到溫度達到 100°C，則其電阻會大幅增加。USB 協議將高電阻解釋為源連接、Vbus和接收器連接、負載之間的開路連接，并且 Vbus 線路被停用。
當導致過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，其電阻重置為 10 Ω 左右的低溫值，并且 Vbus 重新通電。 為獲得最佳結果，溫度指示器應內置在 USB 插頭和/或插座中，以便監測故障源處的連接器溫度。
與必須在 Vbus 線路中的正溫度系數設備或小型斷路器不同，數字溫度指示器不會消耗功率并降低功率輸送能力。
圖 5: 顯示了溫度指示器如何在過熱故障期間保持安全的連接器表面溫度。
當溫度指示器（A Littelfuse setP）用于過熱保護時，連接器表面溫度的較低上升比較。
總結
如果沒有適當的保護，USB Type-C 連接器中的 ESD 或碎屑可能會導致用戶日常依賴的貴重消費電子產品出現現場故障。 電子工程師可以通過使用 TVS 二極管保護 USB 線路免受 ESD干擾， 使用數字溫度指示器以防止連接器過熱，從而保護他們的最新設計。
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