USB Type-C會(huì)出現(xiàn)什么問題？

通用串行總線 (USB) Type-C? 推出了一種緊湊型、可反轉(zhuǎn)的數(shù)據(jù)和電源連接器，同時(shí)支持 USB 功率輸送 (USB PD)。USB PD 支持功率高達(dá) 100 W（20 V，5 A），除通用功能外，并因其支持鋰電池快速充電功能，從而推動(dòng)了 USB Type-C 的迅速普及。

然而，與所有版本 USB 技術(shù)一樣，靜電放電 (ESD) 會(huì)對(duì) USB Type-C 系統(tǒng)的敏感硅器件構(gòu)成風(fēng)險(xiǎn)。USB Type-C 還導(dǎo)致了一些特有的安全挑戰(zhàn)：高功率輸送、緊湊的連接器、消費(fèi)者可以輕松連接不合規(guī)的電纜，這大大增加了該技術(shù)的過壓故障概率，因此可靠的電路保護(hù)至關(guān)重要。

本文概述了對(duì) USB Type-C 電路保護(hù)的需求，并介紹了一些保護(hù)電路和元器件實(shí)例。然后解釋如何設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)保護(hù)這些系統(tǒng)不受 ESD 和過壓故障模式影響的保護(hù)電路。

有關(guān) USB PD 本身的更多詳細(xì)信息，請(qǐng)參閱文庫(kù)文章，“設(shè)計(jì)導(dǎo)入 USB Type-C 并使用其功率輸送功能實(shí)現(xiàn)快速充電”。

USB Type-C 會(huì)出現(xiàn)什么問題？

對(duì)所有 USB 系統(tǒng)實(shí)施 ESD 保護(hù)是一種良好的設(shè)計(jì)原則。一些標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了 USB 系統(tǒng)（和其他地方）中的 ESD 放電穩(wěn)健性要求。例如，EN 55024（“信息技術(shù)設(shè)備 - 抗擾度特性 - 限值和測(cè)量方法”）規(guī)定能經(jīng)受 4 kV 接觸放電，以及 8 kV 空氣放電（標(biāo)準(zhǔn) B：瞬時(shí)擾動(dòng)和自恢復(fù)）

除了影響所有 USB 系統(tǒng)的 ESD 風(fēng)險(xiǎn)外，USB Type-C 還導(dǎo)致了一些特有的故障模式。這些模式由兩種因素共同影響造成：USB PD 高功率輸送和緊湊的幾何形狀。

如果傳統(tǒng) USB 系統(tǒng)采用 USB 2.0 或 3.0 通信協(xié)議，則可以使用 USB PD 實(shí)現(xiàn)高功率輸送。然而，傳統(tǒng) USB 連接器（圖 1）對(duì)幾何形狀的要求并不那么嚴(yán)格，在一定程度上降低了非 USB Type-C 應(yīng)用的故障風(fēng)險(xiǎn)。

圖 1：USB Type-C 的普及一定程度上歸因于其緊湊、可反轉(zhuǎn)的連接器。而缺點(diǎn)是引腳間距小于像 USB Type-A 之類舊版 USB 連接器。Type-C 引腳間距減小，導(dǎo)致短路概率增大。（資料來源：www.USB.org）

USB Type-C 連接器的引腳間距僅是 Type A 連接器的四分之一。當(dāng)引腳間距減小后，在高電流/電壓條件下，扭轉(zhuǎn)電纜或拔下連接器時(shí)會(huì)導(dǎo)致災(zāi)難性短路概率增大。連接器內(nèi)的碎屑堆積可能造成類似的災(zāi)難性后果。

此外，Type-C 的普及促成了大量第三方電纜和電源適配器。其中多數(shù)無法適應(yīng) USB Type-C 和 USB PD 標(biāo)準(zhǔn)支持的高電流。

與其他版本的 USB 技術(shù)相比，緊湊型連接器的機(jī)械應(yīng)力、碎屑和不合規(guī)電纜，以及高電流/電壓增加了 USB Type-C 系統(tǒng)短路的風(fēng)險(xiǎn)。如果連接器的相鄰引腳 VBUS和 CC 或 SBU 之間發(fā)生短路，下游電路可能會(huì)受到 20 V 浪涌電壓的損壞（圖 2）。

圖 2：USB 插座（未顯示所有引腳）剖面圖說明了 CC（連接/配置）引腳與 SBU（邊帶/音頻適配器附件配置/需定義的附加功能）引腳相鄰于總線電源 (VBUS)。（圖片來源：STMicroelectronics）

PD 控制器的短路風(fēng)險(xiǎn)特別高，因?yàn)槠骷苯舆B接 CC 引腳并且設(shè)計(jì)最高運(yùn)行電壓為 5 V。由于在 USB PD 期間，PD 控制器負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)充電器和被充電裝置之間的最大電流和電壓電平，因此保護(hù)好這些器件非常重要。PD 控制器損壞引起的 USB PD 異常運(yùn)行，可能成為安全隱患。例如，未受保護(hù)的壁式適配器發(fā)生短路時(shí)，會(huì)導(dǎo)致下游 PD 控制器受損（圖 3）。

圖 3：故障壁式適配器可能會(huì)在 VBUS和 CC 引腳之間短路，使下游 PD 控制器面臨 20 V 的電壓傷害。（示意圖使用Digi-Key Scheme-it?參照Texas instruments原圖繪制）