如何保护USB Type-C连接器免受静电放电和过热影响

2022-04-07 11:28:27 8

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。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) 和过热条件的强大保护从未像现在这样重要。

USB-Implementers Forum (USB-IF) 对该标准进行了四次重大修订1。它于 1996 年*进行标准化，并一直在以更高的速度发展并允许更大的功率承载能力。USB 标准从 1.0 版开始，一直发展到 2.0 版、3.x 版，目前更新至第 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能力是如何大幅增加的。

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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。

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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公司）

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。

此外，ESD 冲击会造成更微妙的损坏。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。这可能会导致数据流损坏。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，其中元件仍然可以工作，但已退化并可能过早失效。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。

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

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。

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图 3：USB 接口框图显示了推荐的 ESD 保护元件（参见表 2）。 (Littelfuse公司)

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表 2：推荐的 USB 保护技术（来源：Littelfuse公司）

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。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。该元件采用 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元件，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 冲击提供保护。这些二极管通常只有 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。与其它推荐用于 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即时故障、软故障和潜在的过早失效。

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。

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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。 (来源：Littelfuse公司)

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。此外，这些其它元件仅限于 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。

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温度传感器的尺寸应较小，以便能够在故障源进行检测。它还应该能够在最快一(1)秒内改变其电阻状态，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公司）

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。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，设计人员面临着额外的挑战，即寻找更小的表面贴装保护元件以适应有限的空间并最大限度地减少 PCB 空间以实施必要的保护。

预先考虑这些重要的设计注意事项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。