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一文解析USB Type-C接口全方位保護(hù)方案

ADAYO華陽集團(tuán) ? 來源:豪威集團(tuán) ? 作者:豪威集團(tuán) ? 2021-08-12 11:52 ? 次閱讀
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USB Type-C 接口因其小型化,可正反插,支持高功率、高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)忍攸c(diǎn)在消費(fèi)類產(chǎn)品上得到越來越廣泛的應(yīng)用。

Type-C 有著強(qiáng)大的兼容性,除了保留 D+/D- 引腳支持 USB 2.0 數(shù)據(jù)傳輸外,還在規(guī)范定義上兼容其他協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的信號(hào)傳輸,例如對 DP 信號(hào)傳輸?shù)闹С帧R虼顺蔀槟軌驈V泛連接智能手機(jī)、 PC、游戲主機(jī)、存儲(chǔ)設(shè)備和擴(kuò)展塢等絕大部分電子設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)化接口,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸和設(shè)備充電的統(tǒng)一。

現(xiàn)行主流 USB Power Delivery 3.0 最高可支持 20V/5A 的電力輸出,即 100W 的充電功率( 2021 年 5 月發(fā)布的 PD 3.1 進(jìn)一步支持高達(dá) 48V/5A 的電力規(guī)格)。USB Type-C 接口除了可以進(jìn)行基于 PD 規(guī)范的大功率充電外,還可以實(shí)現(xiàn) DisplayPort 1.4 視頻傳輸、Thunderbolt 4 等功能。因此,具有全功能 Type-C 接口的設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)通過單一接口進(jìn)行雙向充電、視頻輸出等功能。

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圖1 USB Type-C 接口引腳分布

USB Type-C 連接器外形小巧,在 8.3 x 2.5mm 的空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)了 24 個(gè)連接器引腳,具有很高的引腳密度,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上還需要滿足上萬次的插拔應(yīng)用。

相比早期版本的其他 USB 接口,Type-C 的 VBUS 引腳更容易由于異物或異常插拔與相鄰引腳發(fā)生短路。由于 VBUS 的電壓典型可能高達(dá) 20V ,與低壓引腳之間(如CC、SBU、Tx/Rx 等)發(fā)生短接會(huì)造成嚴(yán)重后果。其次,Type-C 應(yīng)用的電源路徑需要具有大電流通流能力,對潛在的負(fù)載短路、過電流等危險(xiǎn)做出有效防護(hù)。此外,作為電子設(shè)備的外接接口,ESD 和浪涌的侵害必須從系統(tǒng)層面加以重視,熱插拔等原因造成的過電壓也必須加以考慮。

總之,USB Type-C 功能強(qiáng)大,但在產(chǎn)品開發(fā)中,系統(tǒng)層面的魯棒性設(shè)計(jì)也面臨著諸多挑戰(zhàn)。

USB Type-C 接口全方位保護(hù)方案

豪威集團(tuán)旗下韋爾半導(dǎo)體針對 USB Type-C 應(yīng)用推出了全面的解決方案。在確保不犧牲高功率、高速數(shù)據(jù)傳輸性能的前提下,為接口提供安全、可靠的防護(hù),幫助設(shè)備制造商有效降低產(chǎn)品返修率,提升產(chǎn)品品質(zhì)。

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圖2 筆記本電腦 USB Type-C 接口功能框圖

保護(hù)方案由三顆器件組成(對應(yīng) 圖2 橙色部分),分別為 WS4684C-15/TR ,WS4683C-16/TR 和 WS3233Q-20/TR 。

01、WS4684C-USB 功率開關(guān)

為了抑制可能的高壓浪涌,為充電接口提供可靠的保護(hù),高性能的 OVP Load Switch 必不可少。WS4684C-15/TR ,支持 USB PD 的 20V/5A 規(guī)格,可實(shí)現(xiàn)筆記本電腦的快速、高功率充電。其 VBUS 等引腳可以持續(xù)耐受 29V 的直流電壓。并且內(nèi)部集成浪涌抑制電路,抑制能力高達(dá) 90V ??蓪P記本電腦等消費(fèi)類電子產(chǎn)品的充電接口的功率通路起到高效防護(hù),大大降低供電意外或消費(fèi)者誤操作對電子產(chǎn)品帶來的損害。

主要應(yīng)用:

USB Type-C VBUS 充電保護(hù)

特點(diǎn)及優(yōu)勢:

2.5~20V 輸入電壓范圍,最大電流 5A ,滿足 USB PD 3.0 最高功率要求

編程過壓保護(hù),快速響應(yīng)的反向電流保護(hù),過溫保護(hù)

小型化,1.65 x 2.67mm , CSP-15L 封裝

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圖3 WS4684C 典型應(yīng)用

02、WS4683C-USB 限流負(fù)載開關(guān)

筆記本電腦的 Type-C 接口通常需工作在 DRP 模式。出于對系統(tǒng)充放電的安全考慮,基于 UL62368/CB62368 的安規(guī)要求,VBUS 通路需要具備輸出過流保護(hù)功能。

WS4683C-16/TR 輸出支持 5V (器件 VBUS 側(cè)管腳直流耐壓高達(dá) 30V),最大 3.3A 的持續(xù)電流。在保證芯片可靠性的前提下,支持 USB PD 3.0 要求的 FRS 快開啟功能。內(nèi)部還集成了靜電泄放通路( IEC61000-4-2 Contact ±8KV ),減少了周邊額外的保護(hù)器件,為制造商節(jié)省成本及 PCB 面積。

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圖4 電流保護(hù)快速響應(yīng)

主要應(yīng)用:

USB Type-C VBUS 放電保護(hù)

特點(diǎn)及優(yōu)勢:

400mA~3.3A 可編程過流保護(hù)

快速響應(yīng)的反向電流保護(hù)

支持 USB PD 3.0 協(xié)議要求的 FRS 功能

小型化,2.05 x 2.05mm , CSP-16L 封裝

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圖5 WS4683C 典型應(yīng)用

03、WS3233Q-USB Type-C保護(hù)開關(guān)

如前所述,由于 USB Type-C 接口的功率和信號(hào)引腳最小間距僅有 0.5mm ,用戶實(shí)際使用中因異物等原因,VBUS 會(huì)有和周邊引腳短接的風(fēng)險(xiǎn),為低壓信號(hào)引腳及相關(guān)電路帶來隱患。

韋爾半導(dǎo)體推出的過壓保護(hù)開關(guān),WS3233Q-20/TR 信號(hào)通路具備高達(dá) 800MHz 的 -3dB 帶寬,在不影響高速信號(hào)完整性的情況下,實(shí)現(xiàn) 24V 的過壓保護(hù)能力。在一顆芯片上,高壓和高速性能不再互相妥協(xié)。此外,WS3233Q 內(nèi)部還集成了 D+D- 通道的 ESD 泄放通路,達(dá)到 IEC61000-4-2 Contact ±8KV 標(biāo)準(zhǔn)。單顆芯片在不影響高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)幕A(chǔ)上,提供過壓保護(hù)和靜電防護(hù)的集成解決方案。

應(yīng)用:

USB Type-C CC/SBU 保護(hù)

特點(diǎn)及優(yōu)勢:

OVP Short-to-VBUS:24V

帶寬 800MHz -3dB ,實(shí)現(xiàn)高耐壓的同時(shí),具有高帶寬

低靜態(tài)電流,70uA

QFN3*3-20L 通用封裝

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圖6 WS3233Q典型應(yīng)用

WS4684C-15/TR、WS4683C-16/TR 和 WS3233Q-20/TR 的組合實(shí)現(xiàn)了對過壓、過流、過溫、浪涌、ESD 等各種常見干擾異常的保護(hù)和抑制,是業(yè)界最完善的 USB Type-C 接口保護(hù)方案之一。

三片保護(hù)方案也同時(shí)帶來了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的最大靈活性,可以針對設(shè)備接口功能定義類型全部或部分使用,以節(jié)省成本。

編輯:hfy

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原文標(biāo)題:如何全方位保護(hù)你的 USB Type-C 接口

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