USB Power Delivery 3.1 的保護方案應(yīng)用技術(shù)分享

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USB PD3.0快充標準迎來最新的升級，新的PD3.1快充標準將支持48V電壓輸出，充電功率同步提升至240W。 USB-IF協(xié)會發(fā)布了USB PD3.1快充協(xié)議標準，并更新其中有關(guān)供電能力的內(nèi)容，快充協(xié)議中分別定義標準功率范圍（Standard Power Range）最大充電功率保持100w不變，以及擴展功率范圍（Extended Power Range）新增 28V、36V、48V 三個電壓，所對應(yīng)的電流均為 5 安培，因此最大輸出功率從 100W 擴展至 240W。如下圖一所示。

表一、 Fixed Voltage Power Ranges

USB PD3.1規(guī)范的推出，未來不會僅局限在于個人電腦、筆記型電腦、平板及智慧型手機等消費型的應(yīng)用，將會帶領(lǐng)USB PD快充進入一個更大的市場，比如電動工具機或兩輪電動車等領(lǐng)域。而USB PD3.1主要是建構(gòu)在USB Type C的實體接口上，除了可以將傳輸速率最高提升到40Gbit/s，而且還可快速充電，最大供電為240W。此接口在系統(tǒng)上是外露給使用者隨時可以插拔的接口，使用者最普遍的應(yīng)用就是隨插即用、隨拔即關(guān)，然而這個熱插拔動作卻也經(jīng)常是造成電子系統(tǒng)工作異常、甚至造成USB Type C控制元件毀壞的元兇，因為靜電放電(ESD)等暫態(tài)雜訊就是來自這個熱插拔動作。在熱插拔中，由于接口端的訊號線可能已經(jīng)帶電，這個帶電的電纜在接觸系統(tǒng)時將造成放電行為，這種事件即為靜電放電現(xiàn)象會對系統(tǒng)產(chǎn)生嚴重破壞，一般稱這種現(xiàn)象為直接放電。目前在系統(tǒng)的靜電放電測試上，越來越多的廠商要求以Direct-Pin Injection方式測試產(chǎn)品，以此來模擬系統(tǒng)在用戶端使用時所遭受到ESD事件。

除了原先必須通過IEC61000-4-2針對機殼的靜電測試規(guī)范外，有越來越多品牌廠商已經(jīng)規(guī)范其產(chǎn)品的USB Type C連接器需以Direct-Pin Injection方式測試，甚至部份品牌要求在±8kVESD轟擊的條件下，系統(tǒng)必須在不受任何影響之下通過測試，以此來模擬產(chǎn)品售后熱插拔時可能遭遇的直接放電事件。因此，使用保護元件于USB Type C介面來防止ESD事件對資料傳輸?shù)母蓴_是絕對需要的。圖一為Direct-Pin Injection測試設(shè)置。

圖一、 Direct-Pin Injection測試設(shè)置

另外由于電子產(chǎn)品已迅速深入全球各個角落，但許多偏遠地區(qū)因基礎(chǔ)建設(shè)不佳，或是氣候極端的影響，電子產(chǎn)品遭受EOS(Electrical Over Stress)突波的機率大大提高，所導(dǎo)致返修率也隨之提升。 EOS通常產(chǎn)生于AC/DC電源干擾、電源雜訊或熱插拔等事件，而目前EOS測試的標準主要是采用IEC61000-4-5的規(guī)范，測試電壓波形為1.2/50μs，電流波形為8/20μs。部分品牌廠除了制定內(nèi)規(guī)的ESD Direct-Pin Injection方式測試外，還會額外增加EOS Direct-Pin Injection方式測試。圖二為EOS Direct-Pin Injection測試設(shè)置。

圖二、 EOS Direct-Pin Injection測試設(shè)置

對于USB PD3.1的介面而言，在選擇ESD/EOS保護元件時必須考慮到：

1. 最重要的參考參數(shù)是ESD and EOS clamping voltage：ESD/EOS保護元件若要能對系統(tǒng)提供有效保護，除了防護元件本身要能承受夠高的ESD/EOS轟擊外，還需要考慮鉗制電壓是否夠低，使得ESD/EOS的能量能被鉗制在更低的電壓以防止系統(tǒng)內(nèi)部電路受到損毀，此鉗制電壓是判斷ESD/EOS保護元件對于系統(tǒng)電路保護效能最重要的參數(shù)。

2. 此介面可提供快速充電需求，分別可以支援5V/9V/15V/20V/28V/36V/48V等不同電壓。充電時因頻繁的熱插拔動作可能在電源線上產(chǎn)生頻繁ESD/EOS威脅，因此需在系統(tǒng)上采用更加完善的外部突波ESD/EOS保護方案設(shè)計。

晶焱科技擁有先進的ESD/EOS防護設(shè)計技術(shù)，特別針對USB PD3.1的防護需求，推出不同電壓的ESD/EOS防護元件。如下圖三所示。

圖三、 USB PD 3.1 Solution

此接口可提供快速充電，在電源端需選用一顆ESD/EOS的防護元件，依據(jù)設(shè)計的電壓來選用合適的ESD/EOS元件來保護，就可以保護此接口不受ESD/EOS的威脅，圖四即為完整的USB PD3.1介面的ESD/EOS解決方案保護線路。

圖四、 USB PD3.1介面的ESD/EOS解決方案保護線路

審核編輯黃宇