保护USB Type-C连接器

【导读】今天的消费者已经很快地对采用 USB-C 或 USB-Type C 通信接口标准的移动设备变得依赖——从智能手机和平板电脑到可穿戴设备和笔记本电脑。因此，设计针对静电放电 (ESD) 和过热条件的强大保护从未像现在这样重要。

本文介绍可保护USB Type-C连接器免受静电放电和过热影响的组件

今天的消费者已经很快地对采用 USB-C 或 USB-Type C 通信接口标准的移动设备变得依赖——从智能手机和平板电脑到可穿戴设备和笔记本电脑。因此，设计针对静电放电 (ESD) 和过热条件的强大保护从未像现在这样重要。

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2.12版本，USB-PD（功率传输）标准已更新至3.1版本。 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。 最大功率容量从 2.5 W (5 V @0.5A) 增加至100 W (20 V @ 5A)，目前已到 240 W (48 V @ 5A) 的功率范围。 更高的功率容量将为 USB-C 开启新的供电和充电应用，例如游戏笔记本电脑、扩展底座、4K 显示器和电脑一体机。

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

对产品可靠性的挑战

本文将介绍消除静电放电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 端口免受静电放电影响

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）是静电放电（ESD）的潜在目标。ESD 冲击可以通过人的直接接触或通过空气发生（如果能量源对电子电路产生电弧）。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线，电流高达 30 A。ESD 具有如此大的能量，可能导致元件完全失效。

产品需要具有强大的防静电能力，以获得高可靠性。它们还必须符合IEC 61000-4-2等国际标准，才能在世界上所有地区进行销售。图2显示了IEC 61000-4-2规定的静电放电模拟测试波形，产品必须能够通过CE认证。

图 2：IEC 61000-4-2 中规定的 ESD 测试波形

有多种产品可用于保护通信端口免受 ESD 损坏。 图 3 显示了推荐的保护元件可以用于具有高达 100 W 的供电能力和高达 240 W 的扩展供电范围的USB 接口线路。推荐的元件是瞬态电压抑制器 (TVS) 二极管。 表 2 描述了元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 保护元件

（参见表 2)

表 2：推荐的 USB 保护技术

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，几乎是 IEC 61000-4-2 要求的 8kV 水平的 3 倍，而且不会衰减。 

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。该元件可以在 µDFN-2 封装中安全地吸收 30 kV ESD 冲击。SP1006 是一款非常可靠的 TVS 二极管，符合 AEC-Q101 标准，适用于 USB 通信的汽车应用。

Vbus 线路要求 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。 

防止USB Type-C插头和插座过热

USB Type-C连接器密度高，更容易受到污垢和灰尘的污染，从而导致电源与接地之间的电阻性故障。再加上Vbus线路上的较高功率，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，或者在最糟糕的情况下引发火灾。

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。 本文中引用的示例元件技术是 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-温度曲线

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 Vbus 线路中，因此它不会降低任何电压或功率，也不会降低 Vbus 线路上的供电容量。 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、Vbus和接收器连接、负载之间的开路连接，并且 Vbus 线路被停用。

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 Vbus 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 Vbus 线路中的正温度系数设备或小型断路器不同，数字温度指示器不会消耗功率并降低功率输送能力。 

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。

总结

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贵重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干扰， 使用数字温度指示器以防止连接器过热，从而保护他们的最新设计。

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