漲姿勢(shì)!常用的USB Type-C功率傳輸數(shù)據(jù)線也需要芯片級(jí)保護(hù)

新的USB Type-C^? (USB-C)電纜和連接器規(guī)范極大地簡(jiǎn)化了數(shù)據(jù)互連，以及為數(shù)碼相機(jī)、超薄平板電腦等電子產(chǎn)品供電的方式（如圖1）。該規(guī)范支持高達(dá)15W的USB-C充電應(yīng)用，而USB-C功率傳輸(PD)將充電能力擴(kuò)展至100W，包括各種可互換充電的設(shè)備。不過(guò)，USB Type-C在系統(tǒng)保護(hù)方面也帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)。

這類接口正反面一致的連接器在引腳間距上較USB Micro-B小，無(wú)形中增加了VBUS發(fā)生機(jī)械短路的風(fēng)險(xiǎn)。另外，由于USB PD具有高電壓，需要更強(qiáng)大的保護(hù)。隨著電子負(fù)載越來(lái)越復(fù)雜，也需要加強(qiáng)ESD（靜電釋放）和電壓浪涌保護(hù)。面對(duì)USB Type-C PD架構(gòu)以及與D+/D-數(shù)據(jù)信號(hào)保護(hù)相關(guān)挑戰(zhàn)，ADI提出了一種高度集成的2 x SPDT開(kāi)關(guān)，只需較少的BOM和PCB占用空間，就能夠攻克上述挑戰(zhàn)。

圖1 數(shù)碼相機(jī)通過(guò)USB-C電纜連接到平板電腦

USB-C PD系統(tǒng)

圖2顯示了一個(gè)典型的便攜式電源管理設(shè)備前端，該設(shè)備可連接到USB-C電纜，并且由鋰離子(Li+)電池供電。

圖2 USB PD電源管理系統(tǒng)

當(dāng)存在VBUS時(shí)，它為充電器、系統(tǒng)和其余模塊供電，同時(shí)對(duì)電池充電。當(dāng)VBUS斷開(kāi)時(shí)，電池為系統(tǒng)供電。使用USB-C電纜時(shí)，CC1和CC2引腳決定端口連接、電纜方向、角色(role)檢測(cè)和端口控制。D+/D-線是標(biāo)準(zhǔn)的USB-C通信線，以480Mbps的速度處理數(shù)據(jù)，并受到D+/D-保護(hù)裝置的保護(hù)。PD控制器實(shí)現(xiàn)供電協(xié)議。

保護(hù)挑戰(zhàn)

電源中出現(xiàn)電涌和靜電放電(ESD)很常見(jiàn)，可能會(huì)干擾或?qū)е码娮迂?fù)載和設(shè)備損壞。ESD是由于靜電荷從人體轉(zhuǎn)移到電子電路引起的，這是手持電子設(shè)備面臨的一個(gè)大問(wèn)題。浪涌可能是由閃電引起的，也可能是在靠近雷擊的地方鋪設(shè)的長(zhǎng)電纜中引起的。開(kāi)關(guān)或繼電器會(huì)在開(kāi)啟和關(guān)閉操作期間引起浪涌。負(fù)載突降是通過(guò)切斷汽車上的電池連接而產(chǎn)生的浪涌。良好的數(shù)據(jù)線保護(hù)IC應(yīng)能提供足夠的保護(hù)，而不會(huì)顯著降低數(shù)據(jù)質(zhì)量。

集成解決方案

以ADI MAX20334為例，它是一款2 x SPDT開(kāi)關(guān)，具有過(guò)壓保護(hù)功能，適用于便攜式設(shè)備（圖3）。該IC旨在保護(hù)下游數(shù)據(jù)線免受高壓短路、ESD或浪涌事件的影響。

該設(shè)備具有便攜式電子設(shè)備中高性能開(kāi)關(guān)應(yīng)用所需的低導(dǎo)通電容和低導(dǎo)通電阻，支持內(nèi)部正過(guò)壓和浪涌保護(hù)功能，可處理USB低/全/高速信號(hào)，并采用2.7V至5.5V電源供電。同時(shí)，該IC采用12引腳(1.23mm x 1.63mm)晶圓級(jí)封裝(WLP)，可在-40°C至+85°C擴(kuò)展溫度范圍內(nèi)工作。

圖3 具有擴(kuò)展保護(hù)的2 x SPDT開(kāi)關(guān)

擴(kuò)展保護(hù)

所有引腳均采用了ESD保護(hù)結(jié)構(gòu)，以防止在處理和組裝過(guò)程中遭受高達(dá)±2kV（人體模型）的靜電放電。COMA和COMB（圖2和圖3）進(jìn)一步受到高達(dá)±15kV（人體模型）、±15kV（IEC 61000-4-2中描述的氣隙放電方法）和±8kV（IEC61000-4-2中描述的接觸放電方法）的ESD保護(hù)，且不會(huì)造成損壞。ESD結(jié)構(gòu)在正常運(yùn)行和設(shè)備斷電時(shí)均可承受高ESD。即便在ESD事件之后，此IC也會(huì)繼續(xù)工作，而不會(huì)發(fā)生閂鎖。經(jīng)測(cè)試，該IC可受到-30V至+45V (IEC61000-4-5)的浪涌保護(hù)和高達(dá)+20.5V的過(guò)壓保護(hù)。

圖4將這種高度集成的擴(kuò)展保護(hù)解決方案PCB布局與提供純正電涌保護(hù)及較低OV和ESD保護(hù)的典型競(jìng)爭(zhēng)產(chǎn)品進(jìn)行了比較。后者需要額外的電路來(lái)滿足ESD/浪涌/OV規(guī)范要求，增加了BOM成本，并且PCB占用空間增加了5倍。

圖4 擴(kuò)展保護(hù)優(yōu)勢(shì)

數(shù)據(jù)完整性

從圖5的眼圖可明顯看出，彎曲的藍(lán)線與禁止的紅色禁區(qū)保持接近最大(close-to-maximum)的距離，數(shù)據(jù)信號(hào)具有良好的完整性。保護(hù)IC的高帶寬使信號(hào)升降時(shí)間和抖動(dòng)的下降幅度最小，從而產(chǎn)生良好的誤差容限，這對(duì)于通過(guò)USB一致性測(cè)試很重要。

圖5 D+/D-眼圖

結(jié)論

盡管USB Type-C在數(shù)碼相機(jī)和超薄平板電腦等電子產(chǎn)品的互連、供電和保護(hù)方面帶來(lái)了諸多新挑戰(zhàn)。但基于ADI的設(shè)計(jì)解決方案可提供高達(dá)±15kV ESD保護(hù)、-30V至+45V浪涌保護(hù)和+20.5V過(guò)壓保護(hù)的增強(qiáng)型保護(hù)裝置，并可單獨(dú)保護(hù)數(shù)據(jù)線，與集成度較低的裝置相比，能夠以更低的BOM和更小的PCB占用空間來(lái)滿足ESD/Surge/OV規(guī)范要求。

關(guān)于作者

Nazzareno (Reno) Rossetti是ADI的模擬和電源管理專家。他是一名出版作家，在這一領(lǐng)域擁有多項(xiàng)專利。Reno畢業(yè)于意大利都靈理工大學(xué)，獲電氣工程博士學(xué)位。

Josh Fankhauser是ADI工業(yè)和醫(yī)療健康事業(yè)部的業(yè)務(wù)經(jīng)理，專注于工業(yè)通信解決方案業(yè)務(wù)。Josh擁有加州大學(xué)洛杉磯分校材料科學(xué)與工程碩士學(xué)位。