今天的消費(fèi)者已經(jīng)迅速依賴采用 USB-C 或 USB-Type C 通信接口標(biāo)準(zhǔn)的移動(dòng)設(shè)備——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)熱條件的穩(wěn)健保護(hù)從未像現(xiàn)在這樣重要。
USB 實(shí)施者論壇 (USB-IF) 通過(guò)四次重大修訂升級(jí)了該標(biāo)準(zhǔn)。1 它于 1996 年首次標(biāo)準(zhǔn)化,并一直在以更高的速度發(fā)展,并允許更多的電力承載能力。USB 標(biāo)準(zhǔn)從 1.0 版開(kāi)始,一直到 2.0 版、3.x 版,目前到第 4 版、USB4。表 1列出了從 2.0 到 USB4 的版本,并顯示了每個(gè)版本的最大吞吐量如何大幅增加。
表 1. USB 標(biāo)準(zhǔn)的演變顯示數(shù)據(jù)傳輸速率的提高。(來(lái)源:Littelfuse, Inc.)
為了處理更高的數(shù)據(jù)傳輸速率和更高的功率傳輸,USB Type-C 電纜和連接器標(biāo)準(zhǔn)已更新至修訂版 2.1 2,USB-PD(電力傳輸)標(biāo)準(zhǔn)已更新至修訂版 3.1。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。最大功率容量已從 2.5 W (5 V @0.5A) 增加到 100 W (20 V @ 5A),目前擴(kuò)展功率范圍為 240 W (48 V @ 5A)。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、擴(kuò)展塢、4K 顯示器和一體機(jī)。
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(hào)觸點(diǎn)間距為 0.5 mm。。(來(lái)源:Littelfuse, Inc.)
對(duì)產(chǎn)品可靠性的挑戰(zhàn)
雖然不斷發(fā)展的標(biāo)準(zhǔn)提高了數(shù)據(jù)傳輸速率并增加了充電功率,但這些標(biāo)準(zhǔn)并未直接規(guī)定保護(hù) USB 接口免受外部危害的具體方法。本文將介紹消除 ESD 和過(guò)熱條件導(dǎo)致故障可能性的方法。這些技術(shù)對(duì)于確保產(chǎn)品更可靠、更強(qiáng)大至關(guān)重要。
保護(hù) USB 端口免受 ESD 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 ESD 的潛在目標(biāo)。ESD 沖??擊可以通過(guò)人的直接接觸或通過(guò)空氣(如果能量源對(duì)電子電路產(chǎn)生電?。┌l(fā)生。ESD 沖??擊可高達(dá) 30 kV 或更高,上升時(shí)間快,并且可以熔化硅和導(dǎo)體跡線,電流高達(dá) 30 A。ESD 具有如此大的能量,可能導(dǎo)致組件完全失效。
此外,ESD 沖??擊會(huì)造成更細(xì)微的損壞。ESD 引起的電流會(huì)導(dǎo)致軟故障,包括邏輯器件的狀態(tài)變化、閂鎖或不可預(yù)知的行為。這可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)流損壞。需要重新發(fā)送數(shù)據(jù),這會(huì)降低數(shù)據(jù)傳輸速率。如果發(fā)生閂鎖故障,系統(tǒng)將需要重新啟動(dòng)。ESD 還可能導(dǎo)致潛在缺陷,其中組件仍然可以工作,但已退化并可能過(guò)早失效。
產(chǎn)品需要對(duì) ESD 具有魯棒性以實(shí)現(xiàn)高可靠性。它們還必須符合 IEC 61000-4-2 3等國(guó)際標(biāo)準(zhǔn),才能在世界所有地區(qū)進(jìn)行銷售。圖 2顯示了 IEC 61000-4-2 規(guī)定的 ESD 模擬測(cè)試波形,產(chǎn)品必須能夠承受 CE 認(rèn)證。
圖 2:IEC 61000-4-2 中規(guī)定的 ESD 測(cè)試波形。(來(lái)源:Littelfuse, Inc.)
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 USB 接口線路的推薦保護(hù)組件,具有高達(dá) 100 W 的供電能力和高達(dá) 240 W 的擴(kuò)展供電范圍。推薦的組件是瞬態(tài)電壓抑制器 (TVS) 二極管。表 2描述了組件技術(shù)及其各自的特性和優(yōu)勢(shì)。
圖 3:USB 接口框圖顯示了推薦的 ESD 保護(hù)組件(參見(jiàn)表 2)。。(Littelfuse, Inc.)
表 2:推薦的 USB 保護(hù)技術(shù)(來(lái)源:Littelfuse, Inc.)
對(duì)于 USB 2.0 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 22kV ESD 沖??擊而不會(huì)衰減,幾乎是 IEC 61000-4-2 要求的 8kV 水平的 3 倍。通常,0.3 pF 的低電容可以最大限度地減少對(duì)信號(hào)轉(zhuǎn)換的干擾。該組件采用 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組件,以免降低高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)男阅?。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(dá) 12 kV 的 ESD 沖??擊提供最低限度的保護(hù)。這些二極管通常吸收 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(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。該組件可以在 μDFN-2 封裝中安全地吸收 30 kV ESD 沖??擊。SP1006 是一款非常堅(jiān)固的 TVS 二極管,符合 AEC-Q101 標(biāo)準(zhǔn),可用于 USB 通信的汽車應(yīng)用。4
V總線要求 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 200 W TVS 二極管可保護(hù)容量為 100 W 的 Vbus 線路。SPHV 二極管可承受 30 kV 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 600 W 峰值額定功率,并且可以吸收高達(dá) 30 kV 的 ESD 沖??擊。與其他推薦用于 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立即失效、軟失效和潛在的過(guò)早失效。
推薦 使用 USB Type-C 數(shù)據(jù)線快速充電的大問(wèn)題
保護(hù) USB Type-C 插頭和插座免受過(guò)熱
USB Type-C 連接器的高密度允許更多機(jī)會(huì)被污垢和灰塵污染,從而導(dǎo)致電源和接地之間的電阻故障。結(jié)合 V總線上的更高功率,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,或者在最壞的情況下會(huì)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 USB Type-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)。本文中引用的示例組件技術(shù)是 Littelfuse 獨(dú)特的setP 數(shù)字溫度指示器。其特性曲線如圖4所示。
圖 4:以 Littelfuse setP 為例的溫度指示器的電阻與溫度曲線。。(來(lái)源:Littelfuse, Inc.)
如圖 3所示,溫度指示器放置在配置通道線中。它沒(méi)有放置在 V總線中,因此它不會(huì)降低任何電壓或功率,也不會(huì)降低 V總線上的供電容量。如果組件檢測(cè)到溫度達(dá)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、V總線和接收器連接、負(fù)載之間的開(kāi)路連接,并且 V總線被停用。
當(dāng)導(dǎo)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 V總線重新通電。為獲得最佳結(jié)果,溫度指示器應(yīng)內(nèi)置在 USB 插頭和/或插座中,以便監(jiān)測(cè)故障源處的連接器溫度。
與必須在 V總線中的正溫度系數(shù)設(shè)備或微型斷路器不同,數(shù)字溫度指示器不會(huì)消耗功率并降低功率傳輸能力。此外,這些其他組件僅限于 100 W 和更低的功率,這將阻止它們?cè)跀U(kuò)展功率范圍的 USB Type-C 應(yīng)用中使用。
溫度傳感器的尺寸應(yīng)該很小,以便能夠在故障源處進(jìn)行檢測(cè)。它還應(yīng)該能夠在一 (1) 秒內(nèi)快速改變其電阻狀態(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(dāng)溫度指示器(A Littelfuse setP)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, Inc.)
概括
如果沒(méi)有適當(dāng)?shù)谋Wo(hù),USB Type-C 連接器中的 ESD 或碎屑可能會(huì)導(dǎo)致用戶日常依賴的寶貴消費(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 和數(shù)字溫度指示器保護(hù)他們的最新設(shè)計(jì)以防止連接器過(guò)熱。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)人員面臨著尋找更小的表面貼裝保護(hù)元件以適應(yīng)有限空間并最小化 PCB 空間以實(shí)施必要保護(hù)的額外挑戰(zhàn)方法。
對(duì)這些重要的設(shè)計(jì)考慮因素的深思熟慮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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