原创 USB PD 3.0控制器TPS65994AD浪涌防护方案

      本文主要是针对USB PD 3.0控制器TPSTPS65994AD的浪涌防护方案，采用湖南静芯研发的TDS浪涌保护器件对芯片进行浪涌防护，保护设备免受电气系统中的浪涌电压或浪涌电流的损害，确保设备的安全性。

一、TPS65994AD介绍

       TPS65994AD是一款高度集成的独立式双端口USB Type-C和电力输送 (PD)控制器，针对PC和笔记本电脑应用进行了优化。TPS65994AD集成了完全管理的电源路径与强大的保护功能，可提供完整的USB-C PD解决方案。TPS65994AD Intel和AMD的PC和笔记本电脑终端设备参考设计使用了此器件，确保PD控制器在这类设计中提供适当的系统级交互，此功能显著降低系统设计的复杂性。

二、USB-PD介绍

       USB-PD 是一种基于 USB Type-C 标准构建的先进快速充电技术，它基于充电规范运行，以最大限度地提高传输到连接设备的功率。USB-PD 规范定义了设备如何利用 USB Type-C 连接器供电，以及如何在供电过程中识别和管理这些设备。USB-PD 的一个关键特性是，它可以使设备能够在精确传输或接收电源之前通过 USB Type-C 连接器上的专用通信通道进行通信。这可以让设备仅获得所需的功率，防止过度充电或充电不足的问题。

       由USB实施者论坛（USB-IF）设计的USB供电（USB-PD）规范已经发展了四个版本，逐步增强了供电能力和灵活性。最初的USB-PD 1.0仅提供固定功率配置：10W（5V，2A）、18W（12V，1.5A）、36W（12V，3A）、60W（20V，3A）和100W（20V，5A）。USB-PD 2.0为标准功率范围（SPR）引入了四个固定电压电平（5V、9V、15V、20V），具有3A或5A的灵活电流选项。这种组合实现了更多通用的充电选项，功率范围从0.5W到100W不等。USB-PD 3.0进一步扩展了USB-PD 2.0的功能，提供额外的设备信息，如电源状态、电池电量和系统通知。

三、TDS器件介绍

      TDS(平缓钳位浪涌抑制器)具有精准且恒定的触发电压、优异的钳位性能及稳定的温度特性，可为系统提供更全面保护。当 EOS 事件来临时，瞬态电压攀升至超过集成精密触发器所设定的击穿电压（VBR）阈值，触发电路精确的开启内置泄流场效应晶体管，有效的将瞬态高压与大电流安全释放到地。由于TDS的内置泄流场效应晶体管具有极低的导通电阻，其钳位电压在额定峰值脉冲电流范围内几乎是恒定的。

      在选择浪涌防护器件时，许多工程师会优先选择TVS二极管，实际上大电流TDS芯片在成本和性能、面积上比TVS更具优势。TDS器件的优势如下：

1.  在提供相同保护的情况下，TDS耗散浪涌能量较小，能通过自身特性将过压与过流事件高效泄放到地，从而避免增加自身热损耗。

2.  TDS器件体积小巧，结构紧凑，为硬件工程师设计高度集成型解决方案提供了更优选择。如果应用需要超过单个TDS器件所能提供的特定钳位电压， 可以将多个TDS器件串联，提供了更多的灵活性。

3.  TDS器件的钳位电压通常比传统TVS保护设备的钳位电压低30%，减少了系统的电气应力，可以更好的保护后端IC，也为系统中的其他组件创造了更大的安全余量。

4.  TDS器件在额定峰值脉冲电流范围内拥有几乎恒定的钳位电压。传统TVS二极管的箝位电压随着峰值脉冲电流的增加而增加，而TDS器件的钳位电压在最大峰值脉冲电流之前几乎保持不变。

5.  TDS器件的钳位电压在工作温度范围内保持稳定，而传统TVS二极管的钳位电压随温度变化。TDS器件拥有卓越的耐用性，在工作规格内性能不会下降，仍能保证低漏电和高钳位电压。

四、应用方案

图1 应用方案

       上图介绍了使用PD 3.0控制器TPS65994AD的部分参考设计。USB PD 3.1可以提供高达 100W 的功率,VBUS上的最大电压可以达到20V（20V&5A）。如果总线上的电压增加超过其设计参数，USB PD控制器可能会损坏。因此设计人员经常选择使用具有高于标定峰值脉冲电流(IPP)额定值的TVS二极管器件保护总线，VBUS 引脚的安全性就需要使用工作电压高于 20V 的防护器件来保护 VBUS 引脚，以保持钳位电压低于PD控制器损坏阈值。

       ESTVS2200DRVR是湖南静芯开发的平缓浪涌抑制器(TDS)，可用于保护工作电压为 20V、22V、24V 的系统，具有精准且恒定的触发电压、优异的钳位性能及稳定的温度特性，可为系统提供更全面保护。ESTVS2200DRVR 器件为 DFN 2mm x 2mm x 0.68mm 6引脚封装，工作电压最大可达 24V，可在 ESD 和浪涌事件发生时保护 USB-PD 控制器。它具有25.6V 的触发电压和 70A(tp=8/20μs)的峰值脉冲电流, 钳位电压VC为30V以内，且符合IEC 61000-4-2 (ESD) 规范，在 ±30kV（空气）和 ±30kV（接触）下提供瞬变保护。

五、器件电气特性表

At TA = 25℃ unless otherwise noted

表1 ESTVS2200DRVR电气特性表

六、总结与结论

        TPS65994AD作为常用的PD控制芯片，浪涌防护十分关键。静芯公司推出的系列TDS芯片具有接近理想状况的ESD和EOS保护特性，可以广泛应用于USB/雷电接口、工业机器人、IO-Link接口、工业传感器、IIoT设备、可编程逻辑控制器(PLC)和以太网供电(PoE)等领域，可为系统提供更全面以及更可靠的保护。目前公司推出来ESTVS2200DRVR、ESTDS2211P、ESTVS3300DRVR、ESTDS3311P等型号，欢迎客户前来咨询选购。