如何增強(qiáng)對(duì)USB Type-C數(shù)據(jù)信號(hào)保護(hù)

介紹

新的 USB Type-C ? （USB-C） 電纜和連接器規(guī)范極大地簡(jiǎn)化了我們互連和為數(shù)碼相機(jī)和超薄平板電腦等電子產(chǎn)品供電的方式。該規(guī)范支持高達(dá) 15W 的 USB-C 充電應(yīng)用，并且將充電功率擴(kuò)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(hù)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(huì)增加 VBUS 機(jī)械短路的風(fēng)險(xiǎn)。此外，由于與 USB PD 相關(guān)的高電壓，需要更強(qiáng)大的保護(hù)。最后，電子負(fù)載的日益復(fù)雜性要求加強(qiáng)對(duì) ESD 和電壓浪涌的保護(hù)。該設(shè)計(jì)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(hào)保護(hù)相關(guān)的挑戰(zhàn)。

USB-C PD系統(tǒng)

圖 2展示了一個(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 電纜并由鋰離子 （Li+） 電池供電。

當(dāng) VBUS 存在時(shí)，它為充電器、系統(tǒng)和其余模塊供電。在這個(gè)階段，電池被充電。當(dāng) VBUS 斷開時(shí)，電池為系統(tǒng)供電。對(duì)于 USB-C 電纜，CC1 和 CC2 引腳決定端口連接、電纜方向、角色檢測(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。

圖 2. USB PD 電源管理系統(tǒng)

保護(hù)挑戰(zhàn)

電源中的電涌和靜電放電 （ESD） 很常見，可能會(huì)干擾或?qū)е码娮迂?fù)載和設(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(gè)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(zhǎng)電纜中引起的。開關(guān)或繼電器會(huì)在開啟和關(guān)閉操作期間引起浪涌。負(fù)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(gè)好的數(shù)據(jù)線保護(hù) IC 應(yīng)該提供足夠的保護(hù)而不會(huì)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(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(hù)功能。該器件可處理 USB 低/全/高速信號(hào)，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(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 個(gè) SPDT 開關(guān)

擴(kuò)展保護(hù)

ESD 保護(hù)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(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（接觸放電方法中描述的接觸放電方法）的 ESD 保護(hù)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(shí)。在 ESD 事件之后，IC 繼續(xù)工作而不會(huì)發(fā)生閂鎖。該 IC 具有 -30V 至 +45V （IEC61000-4-5） 的浪涌保護(hù)和高達(dá) +20.5V 的過壓保護(hù)。

圖 4將這種高度集成的擴(kuò)展保護(hù)解決方案的 PCB 布局與提供純正電涌保護(hù)和較低 OV 和 ESD 保護(hù)的典型競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手器件進(jìn)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(kuò)展保護(hù)優(yōu)勢(shì)

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(hào)的良好完整性水平，因?yàn)閺澢乃{(lán)線與禁止的紅色區(qū)域保持接近最大的距離。保護(hù) IC 的高帶寬使信號(hào)上升和下降時(shí)間和抖動(dòng)的減慢最小，從而產(chǎn)生良好的誤差容限，這對(duì)于通過 USB 一致性測(cè)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(jī)和超薄平板電腦）的互連、供電和保護(hù)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(jī)械短路的風(fēng)險(xiǎn)增加。此外，由于與 USB PD 相關(guān)的高電壓，需要更強(qiáng)大的保護(hù)。最后，電子負(fù)載的日益復(fù)雜性要求加強(qiáng)對(duì) ESD 和電壓浪涌的保護(hù)。在本設(shè)計(jì)方案中，我們展示了具有高達(dá) ±15kV ESD 保護(hù)、-30V 至 +45V 浪涌保護(hù)和 +20.5V 過壓保護(hù)的增強(qiáng)型保護(hù)器件可以單獨(dú)保護(hù)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。

審核編輯：郭婷