今天的消費(fèi)者已經(jīng)很快地對(duì)采用USB-C或USB-TypeC通信接口標(biāo)準(zhǔn)的移動(dòng)設(shè)備變得依賴——從智能手機(jī)和平板電腦到可穿戴設(shè)備和筆記本電腦。USB端口還兼作大多數(shù)此類設(shè)備的快速充電端口。因此，設(shè)計(jì)針對(duì)靜電放電(ESD)和過(guò)熱條件的強(qiáng)大保護(hù)從未像現(xiàn)在這樣重要。
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USB-ImplementersForum(USB-IF)對(duì)該標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了四次重大修訂1。它于1996年首次進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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(shù)據(jù)傳輸速率和更高的功率傳輸，USBType-C電纜和連接器標(biāo)準(zhǔn)已更新至2.12版本，USB-PD（功率傳輸）標(biāo)準(zhǔn)已更新至3.1版本。圖1顯示了可以實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)型USB功能集的Type-C連接器。PD版本允許通過(guò)USB接口對(duì)設(shè)備進(jìn)行充電和供電。最大功率容量從2.5W(5V@0.5A)增加至100W(20V@5A)，目前已到240W(48V@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(yīng)用，例如游戲筆記本電腦、擴(kuò)展底座、4K顯示器和電腦一體機(jī)。
圖2：IEC61000-4-2中規(guī)定的ESD測(cè)試波形。（來(lái)源：Littelfuse公司）
有多種產(chǎn)品可用于保護(hù)通信端口免受ESD損壞。圖3顯示了推薦的保護(hù)元件可以用于具有高達(dá)100W的供電能力和高達(dá)240W的擴(kuò)展供電范圍的USB接口線路。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(shì)。
表2：推薦的USB保護(hù)技術(shù)（來(lái)源：Littelfuse公司）
對(duì)于USB2.0線路，請(qǐng)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22kVESD沖擊，幾乎是IEC61000-4-2要求的8kV水平的3倍，而且不會(huì)衰減。通常，0.3pF的低電容可以最大限度地減少對(duì)信號(hào)轉(zhuǎn)換的干擾。該元件采用0201表面貼裝封裝，旨在節(jié)省PC板空間。
SuperSpeed線路需要一個(gè)具有盡可能低電容的元件，以免降低高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)男阅堋＠纾琒P3213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(dá)12kV的ESD沖擊提供保護(hù)。這些二極管通常只有20nA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(duì)于邊帶使用(SBU)和配置通道(CC)線路，請(qǐng)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30kVESD沖擊。SP1006是一款非常可靠的TVS二極管，符合AEC-Q101標(biāo)準(zhǔn)，適用于USB通信的汽車應(yīng)用。4
Vbus線路要求TVS二極管能夠承受比信號(hào)線保護(hù)器件更高的功率水平。SPHV系列200WTVS二極管可保護(hù)容量為100W的Vbus線路。SPHV二極管可承受30kV的ESD沖擊，并通過(guò)AEC-Q101認(rèn)證，采用表面貼裝封裝。對(duì)于擴(kuò)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600W峰值額定功率，并且可以吸收高達(dá)30kV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(hù)一組特定線路免受ESD影響所必需的功能，并且不會(huì)干擾線路的功能。將這些二極管結(jié)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USBType-C插頭和插座過(guò)熱USBType-C連接器密度高，更容易受到污垢和灰塵的污染，從而導(dǎo)致電源與接地之間的電阻性故障。再加上Vbus線路上的較高功率，USB連接器存在更大的過(guò)熱風(fēng)險(xiǎn)，這可能會(huì)損壞連接器、電纜和連接的端口電子設(shè)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(zāi)。
防止過(guò)熱的解決方案是數(shù)字溫度指示器，其設(shè)計(jì)符合USBType-C電纜和連接器規(guī)范。當(dāng)溫度指示器檢測(cè)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(shù)。本文中引用的示例元件技術(shù)是Littelfuse獨(dú)特的setP數(shù)字溫度指示器。其特性曲線。
當(dāng)溫度指示器（ALittelfusesetP）用于過(guò)熱保護(hù)時(shí)，連接器表面溫度的較低上升比較。（來(lái)源：Littelfuse公司）
總結(jié)如果沒(méi)有適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)，USBType-C連接器中的ESD或碎屑可能會(huì)導(dǎo)致用戶日常依賴的貴重消費(fèi)電子產(chǎn)品出現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)故障。電子工程師可以通過(guò)使用TVS二極管保護(hù)USB線路免受ESD干擾，使用數(shù)字溫度指示器以防止連接器過(guò)熱，從而保護(hù)他們的最新設(shè)計(jì)。隨著移動(dòng)設(shè)備變得更小、更復(fù)雜以及對(duì)更快充電的需求不斷增加，設(shè)計(jì)人員面臨著額外的挑戰(zhàn)，即尋找更小的表面貼裝保護(hù)元件以適應(yīng)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(hù)。
預(yù)先考慮這些重要的設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)有助于防止最終用戶出現(xiàn)問(wèn)題。它還有助于提高產(chǎn)品性能、延長(zhǎng)產(chǎn)品壽命和提高消費(fèi)者滿意度。
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