USB Power Delivery 3.1 的保護(hù)方案應(yīng)用

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USB PD3.0快充標(biāo)準(zhǔn)迎來最新的升級(jí)，新的PD3.1快充標(biāo)準(zhǔn)將支持48V電壓輸出，充電功率同步提升至240W。 USB-IF協(xié)會(huì)發(fā)布了USB PD3.1快充協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，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(biāo)準(zhǔn)功率范圍（Standard Power Range）最大充電功率保持100w不變，以及擴(kuò)展功率范圍（Extended Power Range）新增 28V、36V、48V 三個(gè)電壓，所對(duì)應(yīng)的電流均為 5 安培，因此最大輸出功率從 100W 擴(kuò)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(huì)僅局限在于個(gè)人電腦、筆記型電腦、平板及智慧型手機(jī)等消費(fèi)型的應(yīng)用，將會(huì)帶領(lǐng)USB PD快充進(jìn)入一個(gè)更大的市場(chǎng)，比如電動(dòng)工具機(jī)或兩輪電動(dòng)車等領(lǐng)域。而USB PD3.1主要是建構(gòu)在USB Type C的實(shí)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(shí)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(gè)熱插拔動(dòng)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?yàn)殪o電放電(ESD)等暫態(tài)雜訊就是來自這個(gè)熱插拔動(dòng)作。在熱插拔中，由于接口端的訊號(hào)線可能已經(jīng)帶電，這個(gè)帶電的電纜在接觸系統(tǒng)時(shí)將造成放電行為，這種事件即為靜電放電現(xiàn)象會(huì)對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生嚴(yán)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(cè)試上，越來越多的廠商要求以Direct-Pin Injection方式測(cè)試產(chǎn)品，以此來模擬系統(tǒng)在用戶端使用時(shí)所遭受到ESD事件。

除了原先必須通過IEC61000-4-2針對(duì)機(jī)殼的靜電測(cè)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(cè)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(cè)試，以此來模擬產(chǎn)品售后熱插拔時(shí)可能遭遇的直接放電事件。因此，使用保護(hù)元件于USB Type C介面來防止ESD事件對(duì)資料傳輸?shù)母蓴_是絕對(duì)需要的。圖一為Direct-Pin Injection測(cè)試設(shè)置。

圖一、 Direct-Pin Injection測(cè)試設(shè)置

另外由于電子產(chǎn)品已迅速深入全球各個(gè)角落，但許多偏遠(yuǎn)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(jī)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(cè)試的標(biāo)準(zhǔn)主要是采用IEC61000-4-5的規(guī)范，測(cè)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(cè)試外，還會(huì)額外增加EOS Direct-Pin Injection方式測(cè)試。圖二為EOS Direct-Pin Injection測(cè)試設(shè)置。

圖二、 EOS Direct-Pin Injection測(cè)試設(shè)置

對(duì)于USB PD3.1的介面而言，在選擇ESD/EOS保護(hù)元件時(shí)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(hù)元件若要能對(duì)系統(tǒng)提供有效保護(hù)，除了防護(hù)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(hù)元件對(duì)于系統(tǒng)電路保護(hù)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(shí)因頻繁的熱插拔動(dòng)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(hù)方案設(shè)計(jì)。

晶焱科技擁有先進(jìn)的ESD/EOS防護(hù)設(shè)計(jì)技術(shù)，特別針對(duì)USB PD3.1的防護(hù)需求，推出不同電壓的ESD/EOS防護(hù)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(hù)元件，依據(jù)設(shè)計(jì)的電壓來選用合適的ESD/EOS元件來保護(hù)，就可以保護(hù)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(hù)線路。

圖四、 USB PD3.1介面的ESD/EOS解決方案保護(hù)線路

審核編輯黃宇