漲姿勢!常用的USB Type-C功率傳輸數據線(xiàn)也需要芯片級保護

新的USB Type-C^? (USB-C)電纜和連接器規范極大地簡(jiǎn)化了數據互連，以及為數碼相機、超薄平板電腦等電子產(chǎn)品供電的方式（如圖1）。該規范支持高達15W的USB-C充電應用，而USB-C功率傳輸(PD)將充電能力擴展至100W，包括各種可互換充電的設備。不過(guò)，USB Type-C在系統保護方面也帶來(lái)了新的挑戰。

這類(lèi)接口正反面一致的連接器在引腳間距上較USB Micro-B小，無(wú)形中增加了VBUS發(fā)生機械短路的風(fēng)險。另外，由于USB PD具有高電壓，需要更強大的保護。隨著(zhù)電子負載越來(lái)越復雜，也需要加強ESD（靜電釋放）和電壓浪涌保護。面對USB Type-C PD架構以及與D+/D-數據信號保護相關(guān)挑戰，ADI提出了一種高度集成的2 x SPDT開(kāi)關(guān)，只需較少的BOM和PCB占用空間，就能夠攻克上述挑戰。

圖1 數碼相機通過(guò)USB-C電纜連接到平板電腦

USB-C PD系統

圖2顯示了一個(gè)典型的便攜式電源管理設備前端，該設備可連接到USB-C電纜，并且由鋰離子(Li+)電池供電。

圖2 USB PD電源管理系統

當存在VBUS時(shí)，它為充電器、系統和其余模塊供電，同時(shí)對電池充電。當VBUS斷開(kāi)時(shí)，電池為系統供電。使用USB-C電纜時(shí)，CC1和CC2引腳決定端口連接、電纜方向、角色(role)檢測和端口控制。D+/D-線(xiàn)是標準的USB-C通信線(xiàn)，以480Mbps的速度處理數據，并受到D+/D-保護裝置的保護。PD控制器實(shí)現供電協(xié)議。

保護挑戰

電源中出現電涌和靜電放電(ESD)很常見(jiàn)，可能會(huì )干擾或導致電子負載和設備損壞。ESD是由于靜電荷從人體轉移到電子電路引起的，這是手持電子設備面臨的一個(gè)大問(wèn)題。浪涌可能是由閃電引起的，也可能是在靠近雷擊的地方鋪設的長(cháng)電纜中引起的。開(kāi)關(guān)或繼電器會(huì )在開(kāi)啟和關(guān)閉操作期間引起浪涌。負載突降是通過(guò)切斷汽車(chē)上的電池連接而產(chǎn)生的浪涌。良好的數據線(xiàn)保護IC應能提供足夠的保護，而不會(huì )顯著(zhù)降低數據質(zhì)量。

集成解決方案

以ADI MAX20334為例，它是一款2 x SPDT開(kāi)關(guān)，具有過(guò)壓保護功能，適用于便攜式設備（圖3）。該IC旨在保護下游數據線(xiàn)免受高壓短路、ESD或浪涌事件的影響。

該設備具有便攜式電子設備中高性能開(kāi)關(guān)應用所需的低導通電容和低導通電阻，支持內部正過(guò)壓和浪涌保護功能，可處理USB低/全/高速信號，并采用2.7V至5.5V電源供電。同時(shí)，該IC采用12引腳(1.23mm x 1.63mm)晶圓級封裝(WLP)，可在-40°C至+85°C擴展溫度范圍內工作。

圖3 具有擴展保護的2 x SPDT開(kāi)關(guān)

擴展保護

所有引腳均采用了ESD保護結構，以防止在處理和組裝過(guò)程中遭受高達±2kV（人體模型）的靜電放電。COMA和COMB（圖2和圖3）進(jìn)一步受到高達±15kV（人體模型）、±15kV（IEC 61000-4-2中描述的氣隙放電方法）和±8kV（IEC61000-4-2中描述的接觸放電方法）的ESD保護，且不會(huì )造成損壞。ESD結構在正常運行和設備斷電時(shí)均可承受高ESD。即便在ESD事件之后，此IC也會(huì )繼續工作，而不會(huì )發(fā)生閂鎖。經(jīng)測試，該IC可受到-30V至+45V (IEC61000-4-5)的浪涌保護和高達+20.5V的過(guò)壓保護。

圖4將這種高度集成的擴展保護解決方案PCB布局與提供純正電涌保護及較低OV和ESD保護的典型競爭產(chǎn)品進(jìn)行了比較。后者需要額外的電路來(lái)滿(mǎn)足ESD/浪涌/OV規范要求，增加了BOM成本，并且PCB占用空間增加了5倍。

圖4 擴展保護優(yōu)勢

數據完整性

從圖5的眼圖可明顯看出，彎曲的藍線(xiàn)與禁止的紅色禁區保持接近最大(close-to-maximum)的距離，數據信號具有良好的完整性。保護IC的高帶寬使信號升降時(shí)間和抖動(dòng)的下降幅度最小，從而產(chǎn)生良好的誤差容限，這對于通過(guò)USB一致性測試很重要。

圖5 D+/D-眼圖

結論

盡管USB Type-C在數碼相機和超薄平板電腦等電子產(chǎn)品的互連、供電和保護方面帶來(lái)了諸多新挑戰。但基于ADI的設計解決方案可提供高達±15kV ESD保護、-30V至+45V浪涌保護和+20.5V過(guò)壓保護的增強型保護裝置，并可單獨保護數據線(xiàn)，與集成度較低的裝置相比，能夠以更低的BOM和更小的PCB占用空間來(lái)滿(mǎn)足ESD/Surge/OV規范要求。

關(guān)于作者

Nazzareno (Reno) Rossetti是ADI的模擬和電源管理專(zhuān)家。他是一名出版作家，在這一領(lǐng)域擁有多項專(zhuān)利。Reno畢業(yè)于意大利都靈理工大學(xué)，獲電氣工程博士學(xué)位。

Josh Fankhauser是ADI工業(yè)和醫療健康事業(yè)部的業(yè)務(wù)經(jīng)理，專(zhuān)注于工業(yè)通信解決方案業(yè)務(wù)。Josh擁有加州大學(xué)洛杉磯分校材料科學(xué)與工程碩士學(xué)位。