Type-C端口水汽檢測(LPD)技術(shù)介紹

在現代電子設備中，USB Type-C 接口因其具有高帶寬、高功率特性且支持反向插入，成為應用最廣泛的標準。然而，隨著(zhù)設備日益趨向小型化、充電功率和功能多樣化，接口可靠性也面臨著(zhù)更嚴峻的挑戰,尤其是在日常生活中 Type-C 端口經(jīng)常會(huì )暴露在潮濕或高溫環(huán)境中，水汽或生活用水滲入接口可能引發(fā)一系列問(wèn)題，從充電不穩定到設備短路，甚至導致設備損壞。如何有效檢測和防止水汽侵入成為提升 USB Type-C 接口可靠性的重要課題。本文將探討針對 USB Type-C 接口的水汽檢測技術(shù)，分析其工作原理、實(shí)現方式及艾為的對應產(chǎn)品。為了應對這一挑戰，USB Type-C 2.4協(xié)議引入了 LPD（Liquid Presence Detection）的概念，旨在通過(guò)對接口寄生的額外漏電路徑檢測和防護來(lái)確保用電設備的穩定性和安全性，其一般有以下幾種實(shí)現思路：電壓/電流監測在接口的電源引腳和地線(xiàn)之間，以及數據傳輸線(xiàn)之間， LPD 系統會(huì )持續監測電壓和電流的變化。如果出現異常的電流流動(dòng)或電壓偏差，可能表明存在因水汽入侵產(chǎn)生的等效漏電路徑。
阻抗、容抗分析除了電壓和電流的監測，LPD 技術(shù)還可以通過(guò)阻抗分析來(lái)判斷接口的電氣狀態(tài)。濕氣或水分滲透到接口的內部可能導致某些電氣通路的阻抗、容抗變化，LPD 能夠通過(guò)精準的阻抗測量來(lái)檢測這種變化。

下圖為一個(gè)典型的水汽入侵等效示意電路：

圖1  Type-C 端口水汽入侵等效示意圖

其對應的 VBUS 及 CC pin 波形如下所示：

圖2  Type-C 端口水汽入侵實(shí)測波形圖

據此波形分析并設計LPD機制

1、當 CC 處于 toggle 狀態(tài)時(shí)，CC pin 電平在0到 VDD 電壓不斷反轉，如果 CC 通路存在水汽會(huì )導致微短路，這時(shí)候CC內部電阻加上微短路電阻和 Vbus 上的電容形成 RC 低通濾波器，將過(guò)濾 CC 上升沿和下降沿的高頻分量，促使 CC 端的波形發(fā)生趨緩變化。2、在非電平主動(dòng)反轉過(guò)程中，如果電壓處于中間電位會(huì )觸發(fā) CC toggles 中斷。3、基于此，可以用 timer 來(lái)記錄間隔單位時(shí)間內（比如2s）toggles 中斷是否到來(lái)，若到來(lái)計數器加一，若沒(méi)有則清零。如果計數器加到50次，則認為觸發(fā)水汽預警，這時(shí)將 CC 端設為純 SNK 端口，并上報水汽事件給 AP 側。

4、AP 側可以重啟 CC 端口 DRP 功能。

這也是艾為的第一代 PD PHY – AW35615CSR 所采用的 LPD 檢測方案，該芯片累計出貨近億顆，并且以其優(yōu)異的性能進(jìn)入MTK、展訊、ASR 等多家公司的官方參考設計方案。

在此基礎之上，艾為不斷追求 LPD 檢測精度及靈敏度，并推出第二代 PD PHY 方案，內部集成擁有專(zhuān)利保護的硬件水汽檢測電路，其原理將結合下圖解釋?zhuān)?/p>

圖3  CC PIN Toggle 示意圖

圖4  水汽入侵后 CC pin 波形分析模型圖可以看到，在水汽入侵之后，由于寄生低通濾波器的存在，CC 端口電平的上升沿將變得異常緩慢，通過(guò)設置目標 CC VOL 電平及到達目標電平所需時(shí)間等參數，即可實(shí)現對水汽入侵檢測靈敏度的靈活控制?；诖思夹g(shù)的艾為第二代 PD PHY 產(chǎn)品 AW35615PFCR 典型應用圖如下所示：

圖5  AW35615PFCR 典型應用框圖其主要參數為：

• 支持 USB PD 3.1  28V EPR

• 更優(yōu)秀的眼圖

• CC 引腳最高耐壓值：32V

• 自家通過(guò) CTS 認證的完整 PD 協(xié)議棧實(shí)現

• 取消 VCONN 引腳，layout 更方便 

• 支持1.2V、1.8V IIC通信

• 支持死電池模式，未通電時(shí)作為 SNK

• 內置專(zhuān)利保護的 LPD 硬件算法

• 支持 VBUS 檢測與放電控制功能，可以避免 VBUS 電腐蝕老化損耗

• 支持 Wake 低功耗檢測模式

相信通過(guò)上文對 LPD 技術(shù)的詳細闡述，大家對其工作原理、實(shí)現方式以及在保障設備穩定性方面的重要作用，都有了較為深刻的認識。艾為憑借在相關(guān)領(lǐng)域的深厚技術(shù)積累，精心準備了一系列豐富且專(zhuān)業(yè)的端口保護及協(xié)議類(lèi)解決方案，能夠充分滿(mǎn)足不同應用場(chǎng)景下的多樣化適配需求。

文章來(lái)源：艾為之家