對抗靜電放電和過熱：提高USB Type-C 連接器的可靠性和穩(wěn)定性

作者：Littelfuse, Inc. 電子業(yè)務(wù)部全球市場經(jīng)理 Todd Phillips

TVS二極管能夠保護(hù)USB線路，而數(shù)字溫度指示器可保護(hù)USB Type-C連接器。

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-C 或 USB-Type C已成為我們?nèi)粘Ｉ钪凶畛Ｒ姷慕涌诤?a class="article-link" target="_blank" href="/baike/1552489.html">快速充電端口。靜電放電 (ESD) 和過熱是這些接口的大敵，必須小心應(yīng)對。

USB于 1996 年首次進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，從 1.0 版一直發(fā)展到 2.0 版、3.x 版，目前更新至第 4 版USB4，不斷提升傳輸速度并允許更大的功率承載能力。更高的功率容量將為 USB-C 開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)。USB Type-C 電纜和連接器標(biāo)準(zhǔn)亦隨之更新至2.12版本，USB-PD（功率傳輸）標(biāo)準(zhǔn)已更新至3.1版本。PD 版本允許通過 USB 接口對設(shè)備進(jìn)行充電和供電。最大功率容量從 2.5 W (5 V @0.5A) 增加至100 W (20 V @ 5A)，目前已到 240 W (48 V @ 5A) 的功率范圍。

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 連接器的信號觸點(diǎn)間距為 0.5 mm。（來源：Littelfuse公司）

提高產(chǎn)品可靠性

雖然提高了數(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。本文將介紹消除靜電放電和過熱條件導(dǎo)致故障可能性的方法。這些技術(shù)對于確保產(chǎn)品更可靠、更強(qiáng)大至關(guān)重要。

防止USB Type-C插頭和插座過熱

USB Type-C連接器密度高，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熱風(fēng)險(xiǎn)，這可能會損壞連接器、電纜和連接的端口電子設(shè)備。溫度升高可能會熔化連接器，甚至引發(fā)火災(zāi)！

數(shù)字溫度指示器有助防止過熱。數(shù)字溫度指示器不會消耗功率并降低功率輸送能力，與必須在 Vbus 線路中的正溫度系數(shù)設(shè)備或小型斷路器不同。當(dāng)溫度指示器檢測到 100° C 或更高的溫度時(shí)，其電阻會增加至少五 (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。其特性曲線如下圖所示。

以Littelfuse setP為例的溫度指示器的電阻-溫度曲線。(來源：Littelfuse公司)

溫度指示器放置在配置通道線中。它沒有放置在 Vbus 線路中，因此不會降低任何電壓或功率，也不會降低 Vbus 線路上的供電容量。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)測故障源處的連接器溫度。如果組件檢測到溫度達(dá)到 100°C，則其電阻會大幅增加。USB 協(xié)議將高電阻解釋為源連接、Vbus和接收器連接、負(fù)載之間的開路連接，并且 Vbus 線路被停用。當(dāng)導(dǎo)致過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 Vbus 重新通電。

溫度傳感器的尺寸應(yīng)較小，以便能夠在故障源進(jìn)行檢測。它還應(yīng)該能夠在最快一(1)秒內(nèi)改變其電阻狀態(tài)，以防止損壞電纜和電子元件。下圖顯示了溫度指示器如何在過熱故障期間保持安全的連接器表面溫度。

使用溫度指示器（A Littelfuse setP）時(shí)，連接器表面溫度的上升比較。（來源：Littelfuse公司）

靜電放電的影響

暴露于外部環(huán)境的電子電路（例如 USB 端口）有可能受到靜電放電（ESD）影響。ESD 沖擊可以通過人的直接接觸或通過空氣發(fā)生（如果能量源對電子電路產(chǎn)生電弧）。ESD 沖擊可高達(dá) 30 kV 或更高，上升時(shí)間快，電流高達(dá) 30 A。ESD 具有大能量，可能導(dǎo)致元件完全失效，并且可以熔化硅和導(dǎo)線。

此外，ESD 沖擊會造成更微妙的損壞。ESD引起的電流會導(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。如果發(fā)生閂鎖故障，系統(tǒng)將需要重新啟動。這可能會導(dǎo)致數(shù)據(jù)流損壞。需要重新發(fā)送數(shù)據(jù)，這會降低數(shù)據(jù)傳輸速率。ESD 還可能導(dǎo)致潛在缺陷，其中元件仍然可以工作，但已退化并可能過早失效。

產(chǎn)品需要具有強(qiáng)大的防靜電能力，以獲得高可靠性。它們還必須符合IEC 61000-4-2等國際標(biāo)準(zhǔn)，才能在世界上所有地區(qū)進(jìn)行銷售。產(chǎn)品必須通過IEC 61000-4-2規(guī)定的靜電放電模擬測試波形，才可獲得CE認(rèn)證。

IEC 61000-4-2 中規(guī)定的 ESD 測試波形。（來源：Littelfuse公司）

有多種產(chǎn)品可用于保護(hù)通信端口免受 ESD 損壞。推薦的元件是瞬態(tài)電壓抑制器 (TVS) 二極管，可以用于具有高達(dá) 100 W 的供電能力和高達(dá) 240 W 的擴(kuò)展供電范圍的USB 接口線路。

USB 接口框圖顯示了推薦的 ESD 保護(hù)元件。(Littelfuse公司)

推薦的 USB 保護(hù)技術(shù)（來源：Littelfuse公司）

SP3530 單向 TVS 二極管或同等產(chǎn)品可用於 USB 2.0 線路，這種 TVS 二極管采用 0201 表面貼裝封裝，旨在節(jié)省 PC 板空間，可以安全地吸收 22kV ESD 沖擊，幾乎是 IEC 61000-4-2 要求的 8kV 水平的 3 倍，而且不會衰減。通常，0.3 pF 的低電容可以最大限度地減少對信號轉(zhuǎn)換的干擾。

為免降低高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)男阅?，SuperSpeed 線路需要盡可能低電容，例如SP3213 雙向 TVS 二極管，兩個(gè)陽極到陽極連接的二極管為高達(dá) 12 kV 的 ESD 沖擊提供保護(hù)。這些二極管采用緊湊的 μDFN-2 表面貼裝封裝，通常只有 20 nA 的漏電流，以最大限度地降低電路功耗。

SP1006 單向 TVS 二極管用于邊帶使用 (SBU) 和配置通道 (CC) 線路，該元件可以在 μDFN-2 封裝中安全地吸收 30 kV ESD 沖擊。SP1006 符合 AEC-Q101 標(biāo)準(zhǔn)，因此適用于汽車應(yīng)用，非常可靠。

Vbus 線路要求 TVS 二極管能夠承受比信號線保護(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 二極管采用表面貼裝封裝，可承受 30 kV 的 ESD 沖擊，并通過 AEC-Q101 認(rèn)證。擴(kuò)展功率范圍接口可使用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。SMBJ 二極管是表面貼裝元件，與其它推薦用于 USB 端口的 TVS 二極管一樣。

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、軟故障和潛在的過早失效。

總結(jié)

如果沒有適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)，USB Type-C 連接器中的 ESD 或碎屑可能會導(dǎo)致電子產(chǎn)品出現(xiàn)現(xiàn)場故障，對用戶造成不便或危害。使用 TVS 二極管可以保護(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熱。隨著移動設(shè)備變得更小、更復(fù)雜以及對更快充電的需求不斷增加，設(shè)計(jì)人員要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)，實(shí)在是重大挑戰(zhàn)。

合適的保護(hù)解決方案有助于提高產(chǎn)品性能、延長產(chǎn)品壽命，并使消費(fèi)者更稱心滿意，使設(shè)計(jì)人員事半功倍。