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摘要： USB-C 和 USB-C 供電提高了電壓和功率水平。一種新的可逆連接器，其引腳間距比 USB micro-B 更緊密，增加了短路的風(fēng)險。這與便攜式設(shè)備的日益復(fù)雜性相結(jié)合，導(dǎo)致了更高的 ESD、浪涌和過壓保護要求。在此設(shè)計解決方案中，我們提出了一款緊湊、功能齊全的保護 IC，可顯著降低 BOM 并減少 PCB 空間占用。
介紹
新的 USB Type-C ? (USB-C) 電纜和連接器規(guī)范極大地簡化了我們互連和為數(shù)碼相機和超薄平板電腦等電子產(chǎn)品供電的方式（圖 1）。該規(guī)范支持高達 15W 的 USB-C 充電應(yīng)用，并且將充電功率擴展至 100W 的 USB-C 供電 (PD) 包括可互換充電的各種不同設(shè)備。USB Type-C 為保護系統(tǒng)帶來了新的挑戰(zhàn)。新連接器的間距小于 USB Micro-B 的間距，這會增加 VBUS 機械短路的風(fēng)險。此外，由于與 USB PD 相關(guān)的高電壓，需要更強大的保護。最后，電子負載的日益復(fù)雜性要求加強對 ESD 和電壓浪涌的保護。該設(shè)計解決方案回顧了 USB Type-C PD 架構(gòu)以及與 D+/D- 數(shù)據(jù)信號保護相關(guān)的挑戰(zhàn)。
圖 1. 通過 USB-C 電纜連接到平板電腦的數(shù)碼相機
USB-C PD系統(tǒng)
圖 2展示了一個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 電纜并由鋰離子 (Li+) 電池供電。
當(dāng) VBUS 存在時，它為充電器、系統(tǒng)和其余模塊供電。在這個階段，電池被充電。當(dāng) VBUS 斷開時，電池為系統(tǒng)供電。對于 USB-C 電纜，CC1 和 CC2 引腳決定端口連接、電纜方向、角色檢測和端口控制。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- 保護裝置的保護。PD 控制器實現(xiàn)供電協(xié)議。
圖 2. USB PD 電源管理系統(tǒng)
保護挑戰(zhàn)
電源中的電涌和靜電放電 (ESD) 很常見，可能會干擾或?qū)е码娮迂撦d和設(shè)備損壞。ESD 是由靜電荷從身體轉(zhuǎn)移到電子電路引起的，是手持電子設(shè)備的一個大問題。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)的長電纜中引起的。開關(guān)或繼電器會在開啟和關(guān)閉操作期間引起浪涌。負載突降是通過切斷汽車上的電池連接而產(chǎn)生的浪涌。一個好的數(shù)據(jù)線保護 IC 應(yīng)該提供足夠的保護而不會顯著降低數(shù)據(jù)質(zhì)量。
綜合解決方案
例如，MAX20334是一款 2 x SPDT 開關(guān)，具有過壓保護功能，適用于便攜式設(shè)備（圖 3）。該 IC 旨在保護下游數(shù)據(jù)線免受高壓短路、ESD 或浪涌事件的影響。該器件結(jié)合了便攜式電子設(shè)備中高性能開關(guān)應(yīng)用所需的低導(dǎo)通電容和低導(dǎo)通電阻。該 IC 具有內(nèi)部正過壓和浪涌保護功能。該器件可處理 USB 低/全/高速信號，并采用 2.7V 至 5.5V 電源供電。該 IC 采用 12 凸塊 (1.23mm x 1.63mm) 晶圓級封裝 (WLP)，可在 -40°C 至 +85°C 擴展溫度范圍內(nèi)工作。
圖 3. 具有擴展保護的 2 個 SPDT 開關(guān)
擴展保護
ESD 保護結(jié)構(gòu)集成在所有引腳上，以防止在處理和組裝過程中遇到高達 ±2kV（人體模型）的靜電放電。COMA 和 COMB（圖 2 和圖 3）進一步受到高達 ±15kV（人體模型）、±15kV（IEC 61000-4-2 中描述的氣隙放電方法）和 ±8kV（接觸放電方法中描述的接觸放電方法）的 ESD 保護IEC61000-4-2) 無損壞。ESD 結(jié)構(gòu)可承受高 ESD，無論是在正常操作中還是在設(shè)備斷電時。在 ESD 事件之后，IC 繼續(xù)工作而不會發(fā)生閂鎖。該 IC 具有 -30V 至 +45V (IEC61000-4-5) 的浪涌保護和高達 +20.5V 的過壓保護。
圖 4將這種高度集成的擴展保護解決方案的 PCB 布局與提供純正電涌保護和較低 OV 和 ESD 保護的典型競爭對手器件進行了比較。后者將需要額外的電路來滿足 ESD/浪涌/OV 規(guī)范，從而導(dǎo)致更昂貴的 BOM 和 5 倍更大的 PCB 有效面積占用。
圖 4. 擴展保護優(yōu)勢
數(shù)據(jù)的完整性
圖 5中的眼圖一目了然地顯示了數(shù)據(jù)信號的良好完整性水平，因為彎曲的藍線與禁止的紅色區(qū)域保持接近最大的距離。保護 IC 的高帶寬使信號上升和下降時間和抖動的減慢最小，從而產(chǎn)生良好的誤差容限，這對于通過 USB 一致性測試很重要。
圖 5. D+/D- 眼圖
結(jié)論
USB Type-C 為我們的電子產(chǎn)品（如數(shù)碼相機和超薄平板電腦）的互連、供電和保護帶來了新的挑戰(zhàn)。新連接器的間距小于 USB Micro-B 的間距，導(dǎo)致 VBUS 機械短路的風(fēng)險增加。此外，由于與 USB PD 相關(guān)的高電壓，需要更強大的保護。最后，電子負載的日益復(fù)雜性要求加強對 ESD 和電壓浪涌的保護。在本設(shè)計方案中，我們展示了具有高達 ±15kV ESD 保護、-30V 至 +45V 浪涌保護和 +20.5V 過壓保護的增強型保護器件可以單獨保護數(shù)據(jù)線，與集成度較低的器件相比，滿足 ESD/具有較低 BOM 和較小 PCB 有效面積占用的浪涌/OV 規(guī)格。
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