如何保護USB Type-C連接器免受靜電放電和過(guò)熱影響

今天的消費者已經(jīng)很快地對采用 USB-C 或 USB-Type C 通信接口標準的移動(dòng)設備變得依賴(lài)——從智能手機和平板電腦到可穿戴設備和筆記本電腦。USB端口還兼作大多數此類(lèi)設備的快速充電端口。 因此，設計針對靜電放電 (ESD) 和過(guò)熱條件的強大保護從未像現在這樣重要。

USB-Implementers Forum (USB-IF) 對該標準進(jìn)行了四次重大修訂1。它于 1996 年首次進(jìn)行標準化，并一直在以更高的速度發(fā)展并允許更大的功率承載能力。 USB 標準從 1.0 版開(kāi)始，一直發(fā)展到 2.0 版、3.x 版，目前更新至第 4 版、USB4。 表 1 列出了從 2.0 到 USB4 的版本，并顯示了每個(gè)版本的能力是如何大幅增加的。

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(shí)現增強型 USB 功能集的 Type-C 連接器。 PD 版本允許通過(guò) USB 接口對設備進(jìn)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(kāi)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(diǎn)間距為 0.5 mm。（來(lái)源：Littelfuse公司）

對產(chǎn)品可靠性的挑戰

雖然不斷發(fā)展的標準提高了數據傳輸速率并增加了充電功率，但這些標準并未直接規定保護USB 接口免受外部危害的具體方法。本文將介紹消除靜電放電和過(guò)熱條件導致故障可能性的方法。 這些技術(shù)對于確保產(chǎn)品更可靠、更強大至關(guān)重要。

保護 USB 端口免受靜電放電影響

通過(guò)電纜和連接器暴露于外部環(huán)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(guò)人的直接接觸或通過(guò)空氣發(fā)生（如果能量源對電子電路產(chǎn)生電?。?。 ESD 沖擊可高達 30 kV 或更高，上升時(shí)間快，并且可以熔化硅和導線(xiàn)，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。

此外，ESD 沖擊會(huì )造成更微妙的損壞。 ESD引起的電流會(huì )導致軟故障，包括邏輯器件的狀態(tài)變化、閂鎖或不可預知的行為。 這可能會(huì )導致數據流損壞。 需要重新發(fā)送數據，這會(huì )降低數據傳輸速率。如果發(fā)生閂鎖故障，系統將需要重新啟動(dòng)。ESD 還可能導致潛在缺陷，其中元件仍然可以工作，但已退化并可能過(guò)早失效。

產(chǎn)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(jìn)行銷(xiāo)售。圖2顯示了IEC 61000-4-2規定的靜電放電模擬測試波形，產(chǎn)品必須能夠通過(guò)CE認證。

圖 2：IEC 61000-4-2 中規定的 ESD 測試波形。（來(lái)源：Littelfuse公司）

有多種產(chǎn)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(xiàn)路。推薦的元件是瞬態(tài)電壓抑制器 (TVS) 二極管。 表 2 描述了元件技術(shù)及其各自的特性和優(yōu)勢。

圖 3：USB 接口框圖顯示了推薦的 ESD 保護元件（參見(jiàn)表 2）。 (Littelfuse公司)

表 2：推薦的 USB 保護技術(shù)（來(lái)源：Littelfuse公司）

對于 USB 2.0 線(xiàn)路，請考慮使用 SP3530 單向 TVS 二極管或同等產(chǎn)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(huì )衰減。 通常，0.3 pF 的低電容可以最大限度地減少對信號轉換的干擾。 該元件采用 0201 表面貼裝封裝，旨在節省 PC 板空間。

SuperSpeed 線(xiàn)路需要一個(gè)具有盡可能低電容的元件，以免降低高速數據傳輸的性能。 例如，SP3213 雙向 TVS 二極管，兩個(gè)陽(yáng)極到陽(yáng)極連接的二極管為高達 12 kV 的 ESD 沖擊提供保護。這些二極管通常只有 20 nA 的漏電流，以最大限度地降低電路功耗，并采用緊湊的 μDFN-2 表面貼裝封裝。

對于邊帶使用 (SBU) 和配置通道 (CC) 線(xiàn)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?？煽康?nbsp;TVS 二極管，符合 AEC-Q101 標準，適用于 USB 通信的汽車(chē)應用。 4

Vbus 線(xiàn)路要求 TVS 二極管能夠承受比信號線(xiàn)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(xiàn)路。 SPHV 二極管可承受 30 kV 的 ESD 沖擊，并通過(guò) AEC-Q101 認證，采用表面貼裝封裝。 對于擴展功率范圍接口，一個(gè)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。 與其它推薦用于 USB 端口的 TVS 二極管一樣，SMBJ 二極管是表面貼裝元件。

每個(gè)不同的 TVS 二極管都具有保護一組特定線(xiàn)路免受 ESD 影響所必需的功能，并且不會(huì )干擾線(xiàn)路的功能。將這些二極管結合到電路中可以防止即時(shí)故障、軟故障和潛在的過(guò)早失效。

防止USB Type-C插頭和插座過(guò)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(xiàn)路上的較高功率，USB 連接器存在更大的過(guò)熱風(fēng)險，這可能會(huì )損壞連接器、電纜和連接的端口電子設備。溫度升高可能會(huì )熔化連接器，或者在最糟糕的情況下引發(fā)火災。

防止過(guò)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(shí)，其電阻會(huì )增加至少五 (5) 個(gè)十倍數。 本文中引用的示例元件技術(shù)是 Littelfuse 獨特的setP數字溫度指示器。 其特性曲線(xiàn)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(xiàn)。 (來(lái)源：Littelfuse公司)

如圖 3 所示，溫度指示器放置在配置通道線(xiàn)中。它沒(méi)有放置在 Vbus 線(xiàn)路中，因此它不會(huì )降低任何電壓或功率，也不會(huì )降低 Vbus 線(xiàn)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(huì )大幅增加。 USB 協(xié)議將高電阻解釋為源連接、Vbus和接收器連接、負載之間的開(kāi)路連接，并且 Vbus 線(xiàn)路被停用。

當導致過(guò)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(shí)，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(xiàn)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(huì )消耗功率并降低功率輸送能力。 此外，這些其它元件僅限于 100 W 和更低的功率，這將阻止它們在擴展功率范圍的 USB Type-C 應用中使用。

溫度傳感器的尺寸應較小，以便能夠在故障源進(jìn)行檢測。它還應該能夠在最快一(1)秒內改變其電阻狀態(tài)，以防止損壞電纜和電子元件。圖 5 顯示了溫度指示器如何在過(guò)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(guò)熱保護時(shí)，連接器表面溫度的較低上升比較。（來(lái)源：Littelfuse公司）

總結

如果沒(méi)有適當的保護，USB Type-C 連接器中的 ESD 或碎屑可能會(huì )導致用戶(hù)日常依賴(lài)的貴重消費電子產(chǎn)品出現現場(chǎng)故障。 電子工程師可以通過(guò)使用 TVS 二極管保護 USB 線(xiàn)路免受 ESD干擾， 使用數字溫度指示器以防止連接器過(guò)熱，從而保護他們的最新設計。 隨著(zhù)移動(dòng)設備變得更小、更復雜以及對更快充電的需求不斷增加，設計人員面臨著(zhù)額外的挑戰，即尋找更小的表面貼裝保護元件以適應有限的空間并最大限度地減少 PCB 空間以實(shí)施必要的保護。

預先考慮這些重要的設計注意事項有助于防止最終用戶(hù)出現問(wèn)題。它還有助于提高產(chǎn)品性能、延長(cháng)產(chǎn)品壽命和提高消費者滿(mǎn)意度。