【概要描述】今天的消费者已经很快地对采用USB-C或USB-TypeC通信接口标准的移动设备变得依赖——从智能手机和平板电脑到可穿戴设备和笔记本电脑。因此，设计针对静电放电(ESD)和过热条件的强大保护从未像现在这样重要。本文介绍可保护USB Type-C连接器免受静电放电和过热影响的组件 今天的消费者已经很快地对采用USB-C或USB-TypeC通信接口标准的移动设备变得依赖——从智能手机和平板电脑到可穿戴设备和笔记本电脑。因此，设计针对静电放电(ESD)和过热条件的强大保护从未像现在这样重要。 为了处理更高的数据传输速率和更高的功率传输，USB Type-C 电缆和连接器标准已更新至2.12版本，USB-PD（功率传输）标准已更新至3.1版本。图1显示了可以实现增强型USB功能集的 Type-C 连接器。PD版本允许通过USB接口对设备进行充电和供电。最大功率容量从2.5W(5V@0.5A)增加至100W(20V@5A)，目前已到240W(48V@5A)的功率范围。更高的功率容量将为USB-C开启新的供电和充电应用，例如游戏笔记本电脑、扩展底座、4K显示器和电脑一体机。 图1：USBType-A和Type-C连接器。 与Type-A连接器的4针相比，Type-C连接器有24针。Type-C连接器的信号触点间距为0.5mm 对产品可靠性的挑战 本文将介绍消除静电放电和过热条件导致故障可能性的方法。这些技术对于确保产品更可靠、更强大至关重要。 保护USB端口免受静电放电影响 通过电缆和连接器暴露于外部环境的电子电路（例如USB端口）是静电放电（ESD）的潜在目标。ESD冲击可以通过人的直接接触或通过空气发生（如果能量源对电子电路产生电弧）。ESD冲击可高达30kV或更高，上升时间快，并且可以熔化硅和导线，电流高达30A。ESD具有如此大的能量，可能导致元件完全失效。 产品需要具有强大的防静电能力，以获得高可靠性。它们还必须符合IEC61000-4-2等国际标准，才能在世界上所有地区进行销售。图2显示了IEC61000-4-2规定的静电放电模拟测试波形，产品必须能够通过CE认证。 图2：IEC61000-4-2中规定的ESD测试波形 有多种产品可用于保护通信端口免受ESD损坏。图3显示了推荐的保护元件可以用于具有高达100W的供电能力和高达240W的扩展供电范围的USB接口线路。推荐的元件是瞬态电压抑制器(TVS)二极管。表2描述了元件技术及其各自的特性和优势。 图3：USB接口框图显示了推荐的 ESD保护元件（参见表2) 表2：推荐的USB保护技术 对于USB2.0线路，请考虑使用SP3530单向TVS二极管或同等产品。这种TVS二极管可以安全地吸收22kVESD冲击，几乎是IEC61000-4-2要求的8kV水平的3倍，而且不会衰减。  对于边带使用(SBU)和配置通道(CC)线路，请考虑SP1006单向TVS二极管。该元件可以在µDFN-2封装中安全地吸收30kVESD冲击。SP1006是一款非常可靠的TVS二极管，符合AEC-Q101标准，适用于USB通信的汽车应用。 Vbus线路要求TVS二极管能够承受比信号线保护器件更高的功率水平。SPHV系列200WTVS二极管可保护容量为100W的Vbus线路。SPHV二极管可承受30kV的ESD冲击，并通过AEC-Q101认证，采用表面贴装封装。对于扩展功率范围接口，一个示例解决方案是SMBJ二极管。它具有比SPHV二极管更高的600W峰值额定功率，并且可以吸收高达30kV的ESD冲击。  防止USBType-C插头和插座过热 USBType-C连接器密度高，更容易受到污垢和灰尘的污染，从而导致电源与接地之间的电阻性故障。再加上Vbus线路上的较高功率，USB连接器存在更大的过热风险，这可能会损坏连接器、电缆和连接的端口电子设备。温度升高可能会熔化连接器，或者在最糟糕的情况下引发火灾。 防止过热的解决方案是数字温度指示器，其设计符合USBType-C电缆和连接器规范。当温度指示器检测到100°C或更高的温度时，其电阻会增加至少五(5)个十倍数。本文中引用的示例元件技术是 Littelfuse 独特的setP数字温度指示器。其特性曲线如图4所示。 图4：以Littelfuse SETP为例的温度指示器的电阻-温度曲线 如图3所示，温度指示器放置在配置通道线中。它没有放置在Vbus线路中，因此它不会降低任何电压或功率，也不会降低Vbus线路上的供电容量。如果组件检测到温度达到100°C，则其电阻会大幅增加。USB协议将高电阻解释为源连接、Vbus和接收器连接、负载之间的开路连接，并且Vbus线路被停用。 当导致过热的条件得到纠正并且传感器的温度降至100°C阈值以下时，其电阻重置为10Ω左右的低温值，并且Vbus重新通电。为获得最佳结果，温度指示器应内置在USB插头和/或插座中，以便监测故障源处的连接器温度。 与必须在Vbus线路中的正温度系数设备或小型断路器不同，数字温度指示器不会消耗功率并降低功率输送能力。  图5: 显示了温度指示器如何在过热故障期间保持安全的连接器表面温度。 当温度指示器（A Littelfuse setP）用于过热保护时，连接器表面温度的较低上升比较。 总结 如果没有适当的保护，USBType-C连接器中的ESD或碎屑可能会导致用户日常依赖的贵重消费电子产品出现现场故障。电子工程师可以通过使用TVS二极管保护USB线路免受ESD干扰，使用数字温度指示器以防止连接器过热，从而保护他们的最新设计。

• 分类：行业新闻
• 作者：Littelfuse
• 来源：技术社区
• 发布时间：2022-09-13 10:00
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