原创 不断升级的USB-C接口:你对它的保护升级了吗?

2022-8-16 11:02 178 0 分类: 消费电子
不断升级的USB-C接口:你对它的保护升级了吗?

盘点一下我们身边电子设备外壳上各式各样的接口,你可能会发现,它们的种类和数量正在减少。但与此同时有一个接口上镜的机会却越来越多,这个接口就是USB Type-C(以下简称USB-C)。

【导读】盘点一下我们身边电子设备外壳上各式各样的接口,你可能会发现,它们的种类和数量正在减少。但与此同时有一个接口上镜的机会却越来越多,这个接口就是USB Type-C(以下简称USB-C)。


根据HIS的市场研究数据,2021年全球配备USB-C接口的设备出货量接近50亿部,在智能手机、平板和笔记本电脑等数以亿计的消费电子产品及其相关配套组件中,USB-C已经成为标配。


从2015年进入商用,USB-C能够以如此快的速度占领市场、一统江湖,并不是偶然的。要说USB-C究竟好在哪?随便找来一个非专业人士的普通消费者也能摆出好几条:外形小、支持正反插、可以双向供电,数据视频传输一肩挑……当然其中尤为关键的肯定是下面这两条:数据传输的速度更快,电力传输的效率更高效。


新标准带来的新挑战


在标准定义之初,USB-IF就是以一个”具有技术前瞻性的物理接口”这样的定位来打造USB-C的。事实也表明,这些年USB在数据传输和电力传输方面标准的提升背后,USB-C提供的有力支撑功不可没。


具体来讲,经过了多年的迭代,USB的数据传输标准已经从USB 1.0的1.5Mbps、USB 2.0的480Mbps,提升到了USB 4.0的40Gbps。能够有这样的底气和迭代速度,与USB-C提供的双通道(x2)架构是不无关系的。


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图1:USB数据传输标准的升级之路

(图源:Littelfuse


从电力传输方面来看,USB-C应用伊始,其支持高达100W(20V @ 5A)的USB PD协议就是一个关键的卖点。这一功能使得可以通过USB-C接口供电的设备范围大大扩展,而且也使得其成为被“能源焦虑症”困扰的智能手机提升充电功率的坚实支点。去年5月,USB-IF发布了新的USB PD 3.1标准,更是将USB-C支持的上限输出功率从之前USB PD 3.0规定的100W,提升到了240W(48V @ 5A)!如果与2010年推出的7.5W的USB BC1.2比较,在十年间USB的电力传输能力增长达32倍!


而且USB-C中专门定义了用于PD协议传输的CC线路,负责在供电和受电设备之间协商电力协议,这就使得可编程电源PPS(Programmable Power Supply)的实现成为可能,也确保了基于USB-C的快充可以实现更高的能效。


可以说,与其他的接口相比,USB-C物理接口标准与数据传输标准以及USB PC功率传输标准相互支撑,协同推进,成就了其今天稳固的江湖地位。

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不过,所谓“能力越大,责任越大”,USB-C在数据和电力传输上能力的提升,也带来了新的挑战,特别是来自可靠性与稳定性方面的挑战。这是因为,这些标准在制订时并未直接规定保护USB接口免受外部危害的具体方法,而在实际应用中,由于USB-C外形更小,连接密度更大,在接口的电路保护方面面临的压力会更大,尤其是在静电防护(ESD)和过热保护两方面,必须有针对性的方案确保USB-C接口的可靠性。


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图2:与传统的4针脚USB-A连接器相比,USB-C连接器有24针,信号触点间距仅为0.5mm

(图源:Littelfuse)


构筑全方位的ESD防护


我们先来看看ESD防护。USB-C连接器和电缆暴露于外部环境的电子电路中,难免会受到人的直接接触或电弧等带来的ESD冲击,这种冲击电压可达30kV或更高,瞬间电流高达30A,这样的高能量可以熔化硅和导线,导致元件完全失效。即使没有造成这种“硬”伤害,ESD引起的电流也可能导致“软”故障,包括逻辑器件的状态变化、闩锁或不可预知的行为,这就会影响数据传输速度,导致系统误启动,或者造成一些潜在的缺陷,影响元器件的可靠性或者减少其使用寿命。因此,对于USB-C接口这种存在ESD高风险的“界面”,必须严密设防。


不过,对于USB-C接口来说,想要全面设防ESD并不简单,其面临着一些前所未有的挑战:


与仅有4引脚的USB-A连接器相比,USB-C接口的引脚数量达到了24条,而尺寸又被大大地压缩了,因此保护元件必须拥有更紧凑的外形。在这样的情况下,占板面积较大的分立保护元件的应用会受到限制,具有更高封装密度的方案(如TVS二极管阵列)就成了更理想的选择。


与此同时,这24个引脚(线路)的角色各不相同,对于ESD冲击的防护要求也有很大的差别。比如对于电源传输线的ESD保护元件,额定电压是一个很重要的指标;而对于数据线,为了支持高速率的数据传输,对于ESD防护元件的低电容值会更为敏感,这是因为电容会弱化传输的信号,电容容值越高对信号的衰减作用会越明显,因此传输速率越高的数据接口,也就需要更低电容值的ESD抑制元件。


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图3:USB-C接口ESD防护解决方案

(图源:Littelfuse)


图3展示了一个典型USB-C接口的ESD防护解决方案,可以看到需要保护的线路包括USB 2.0、SuperSpeed、SBU、CC、Vbus五种,分别对应图中的II、III、IV、V四类情况。每一条线路的ESD防护要求都不同,而我们的解决方案却要尽可能做得面面俱到。


如果我们分别针对每个线路的ESD防护规格,进行保护元件的选型,这无疑是一个费时费力的过程。为了解决工程师的这个烦恼,Littelfuse提供了一个完整的解决方案,为每个线路的ESD匹配了合适的保护元件。下面我们对这一方案做个细致地观察。


USB 2.0线路


先来看对于USB 2.0线路的保护,这个引脚是USB-C为了兼容之前USB 2.0数据传输标准而专门保留的,支持480Mbps的传输速度,其ESD防护需要满足IEC 61000-4-2标准要求的8kV水平,且需要具有较低的电容以满足高速数据传输的要求。Littelfuse方案中,为此匹配的保护器件是SP3530单向TVS二极管,该器件可以安全地吸收高达22kV的ESD能量冲击,接近IEC 61000-4-2要求的3倍,而且不会衰减;同时,0.3pF的低电容也可以尽可能地减少对信号转换的干扰。0201的SMD封装外形也足够小巧,不会占用太大的PCB面积。


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图4:SP3530单向TVS二极管

(图源:Littelfuse)


SuperSpeed线路


接下来我们来看看SuperSpeed线路,这几个引脚是USB-C接口实现数十Gbps数据传输速率的关键,肯定需要一颗具有尽可能低电容的保护元件,以免影响超高速数据传输的性能。因此,Littelfuse的电容仅为0.09pF的SP3213双向TVS二极管阵列成为了理想选择,它可以为超高速信号传输提供出色的信号完整性,并提供12kV的ESD防护能力,安全地吸收重复性静电放电冲击,且性能不会下降,还可以安全地耗散2A的8/20μs浪涌电流(IEC 61000-4-5第2版)。同时,由于采用紧凑的μDFN-2表面贴装封装,满足小型化的设计要求也不在话下。


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图5:SP3213双向TVS二极管阵列

(图源:Littelfuse)


SBU和CC线路


我们要考虑的第三种情况是供边带使用(SBU)和配置通道(CC)的线路,它们虽然也是信号传输通道,但是与USB 2.0和SuperSpeed线路相比,数据传输速率比较低,因此可以选择电容较高的TVS器件,以便在性能和成本上实现极佳的平衡。Littelfuse的SP1006单向TVS二极管阵列正好可以满足这个要求,其同样采用0201尺寸μDFN-2封装,可以安全吸收30kV的可重复性ESD接触放电,并安全地耗散5A的8/20μS浪涌电流,钳位电压很低。


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图6:SP1006单向TVS二极管阵列

(图源:Littelfuse)


Vbus线路


与上面四条信号线路相比,Vbus电源线的ESD保护要求有些不同,在这里使用的TVS二极管需要能够承受比信号线保护器件更高的功率水平。根据USB PD标准的要求,Vbus线路上可以传输电压高达20V,而普通的ESD保护器件通常只能承受5V、6V或者12V的电压。Littelfuse的SPHV系列TVS二极管就是专为20V功率线路的保护应用而设计的,其200W的功率容量对于保护100W的Vbus线路显然是游刃有余。SPHV系列TVS二极管同样采用表面贴装封装,可承受30kV的ESD冲击,并通过了AEC-Q101车规认证。


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图7:SPHV和SPHV-C TVS二极管

(图源:Littelfuse)


前文曾经提到,新的USB PD 3.1标准将支持的上限功率扩展到了240W,相应地线路上的上限电压也提升到了42V。面对这一新变化,ESD器件的耐压能力当然也要升级。为此,Littelfuse的SMBJ TVS二极管可堪重用,它具有高达600W的峰值额定功率,可以吸收高达30kV的ESD冲击,表面贴装的封装也确保了其足够“纤细”的外形。


有了上述这些TVS二极管器件的全面守护,USB-C接口的ESD防护可以说是高枕无忧了。


不同以往的过热保护


随着USB-C支持的功率水平不断升级,另一个可靠性风险也会增加,这就是连接器插头和插座的过温(过热)。


USB-C连接器互连密度高(引脚间距仅有0.5mm),作为电子设备与外界的接口,更容易受到污垢和灰尘等杂质的污染,从而导致电源与接地之间的电阻性故障。Vbus线路上承载的功率越高,USB连接器的过热风险也就越大,这不仅可能会损坏连接器、电缆和连接端口中的元器件,过高的温度还可能会熔化连接器,甚至引发火灾。


传统的防止USB接口线缆过热的方法,是在Vbus电源线上装配一个PPTC可恢复式保险丝或者一个小型断路器,它们被内置在连接器内部的一个PCB线路板上去监测可能带来风险的温升。


不过当功率提升到100W以上时,这种方法的短板就显现出来了。这主要是因为,串联在电源线上的这些保护元件具有内阻,即使仅有几毫欧的内阻,在高功率的线路上也会造成显著的功率损耗,这就让设备制造商应对越来越严苛的能耗标准的难度加大。


此外,使用PPTC可恢复式保险丝或者小型断路器,开发者在小型化设计上的挑战也会更大。比如,一个60W充电器所需的PPTC,其占板面积为就有3.2mm × 2.5mm,小型断路器的外形会更大;而当功率提升到100W以上时,这些保护元件的尺寸还会有显著地增加。


因此,想要实现可靠的USB-C连接器过热保护,必须有些新办法。Littelfuse对此给出的解决方案就是独特的setP™数字温度指示器。


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图8:setP™温度指示器

(图源:Littelfuse)


与将保护元件串联在Vbus电源线上的老办法不同,setP™温度指示器是串联在CC控制线路上的(如图3中的I所示)。当该元件检测到100°C以上的温度时,其电阻会大幅增加,这时USB PD协议将高电阻解释为源连接、Vbus和接收器连接、负载之间的断开连接,会将Vbus线路停用,由此阻止过热情况的加剧。当导致过热的条件得到纠正,setP™检测到的温度降至100°C以下时,其阻值会重置为10Ω左右的低阻状态,这时Vbus会重新通电。


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图9:setP™温度指示器的电阻-温度曲线

(图源:Littelfuse)


很显然,这种方案既可以保护100W或更高功率的系统,也不会因为串联在电源线上的内阻造成功率损耗,可谓是一石二鸟。加之setP™温度指示器采用2.0mm x 1.2mm的紧凑尺寸,SMD的封装与回流焊工艺兼容,因此其在未来功率更高的USB-C应用中是非常合适的解决方案。


本文小结


功能上兼收并蓄,性能上不断升级——凭借这两招儿,USB-C已经成为今天市场上炙手可热的外设接口,没有之一。


而伴随着USB-C接口技术的不断迭代升级,与之相配套的电路保护技术也必须同步跟进,这样才能以过硬的可靠性和安全性,为终端用户提供一个性能不打折扣的接口连接解决方案,而不是一个徒有USB-C其表的“样子货”。


针对这样的需求,Littelfuse给出的解决方案不仅能够覆盖USB-C各个线路保护“个性化”的设计需求,还具有足够的前瞻性和“提前量”,紧跟USB新标准的步伐。


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图10:Littelfuse USB-C保护解决方案推荐产品一览

(图源:Littelfuse)


因此,面对不断升级的USB-C接口,如果你正在考虑对USB-C接口的保护方案来一次全面的升级,Littelfuse的这些解决方案应该正合你的胃口。

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