更简洁更轻薄,谁来保护USB Type-C的野心?
0 2022-11-24
种种迹象表明,USB 市场将在2016年进入爆发期。以往的电子产品背面和侧面,都不免会拥挤着各式各样的接口。在电子产品日益追求小型化的今天,通过一个接口去接驳各种类型的外设,让产品设计更为简洁、轻薄,是开发者和用户共同的梦想。USB 就扮演着这样一个角色。

从性能上看,USB 几乎是“万能”的。在数据传输方面,它支持USB 3.1规范,每个通道的数据带宽可达到10Gbps;同时它也是电子设备的功率传输接口,基于最新的USB-PD协议,经由USB 可传输最高100W的功率;此外,USB Type-C同时支持数据和音视频信号的传输,堪称多面手;最后,在物理结构上USB Type-C支持无方向的正反插,身材也更纤细,让用户体验又上了一个台阶。由此可以看出,USB-IF为这次产品标准的升级做足了准备,其“野心”可见一斑。

不过在谈论USB Type-C的种种“美好”之时,其产品可靠性的问题也不容忽视,使用中由于热插拔、短路、ESD、故障设备和用户误操作引发的风险,需要有可靠的电路保护措施来化解。否则,在用户挑剔的眼光中,再宏大的“野心”也不免会碎成一地。





图1:USB Type-C的接口功能定义,从结构上实现了无方向正反插

通常意义上的电路保护包括过流保护和过压保护。USB Type-C的过流保护有四种不同的设计架构。第一种是直接采用集成了功率开关的PD控制器IC,这种方案的集成度较高,性能也最好,但是成本也比较高。第二种成本比较低的是“PD控制器 电流感应电路”的方案,但性能受限。其他两种“PD控制器 外置功率开关”的方案和 “PD控制器 MOSFET PTC”的方案成本适中,其中后者是Bourns公司特有的方案,可以实现最佳的性价比,并且在5-20V的电压范围内有多种型号供开发者选择。





图2:四种USB Type-C过流保护方案设计架构

USB Type-C的过压保护方面是通过TVS来实现的。由于USB Type-C正反插无方向的结构,其具有上下两组对称的接口,每组包括两组10Gbps高速数据收发通道(SSRX /SSRX -,SSTX /SSTX -)、一组兼容以前USB标准的480Mbps数据通道(D /D-)和一组进行USB-PD协议通信的专用通道(CC /-),所以需要保护的通道数量也较以往的USB接口更多,这就需要TVS阵列出场了。为此电路保护元器件厂商推出了小型化、高集成的方案。比如Bourns的方案, 利用两个6通道TVS阵CDDFN10-0516P列和一个4 通道TVS阵列CDDFN10-0524P,只需三颗器件就完成了USB Type-C的过压保护。





图3:Bourns公司USB Type-C过压保护方案

而随着USB Type-C应用的推广,除了过压和过流保护,新的保护需求也逐渐被发现,比如过温保护。由于USB Type-C的体积小,引脚间距小,又要承载最高100W的功率,所以一旦电缆接口端有异物污染,很容易造成内阻的增加,进而引发过热甚至是烟火危险。所以在线缆端加入过温保护的必要性逐渐被人们所认识,日本的MCPC(Mobile Compung Promoon Consorum)已经有涉及到过温保护的条款,相信未来欧美及中国市场也会跟进。

在USB Type-C过温保护方面,一些创新性的产品和方案也正在逐渐进入人们的视野。较早期便涉足Type-C领域的区域代理商世健公司产品经理表示,Bourns公司在过温保护方面经验丰富,其提出的两种解决方案都颇具竞争优势:一种是采用mini-Breaker 控温器件,它是一个可恢复器件,在温度异常(过高)时触发,而在电源被切断或温度回到安全水平时自恢复;另一种采用P-TCO的方案,P-TCO是温度触发的可恢复保险丝,与mini-Breaker相比体积更小,且在成本上也更有竞争力。这两种方案各具特色,可为不同应用需求的开发者提供更多差异化的空间。





图4:采用P-TCO的USB Type-C过温保护实例,红色矩形标注处为P-TCO

为了让上述保护方案能够与USB Type-C整体解决方案更紧密地配合,世健针对市场需求研发了一系列完整解决方案,其中包括整合了Cypress 集成PD协议的USB Type-C控制器、MPS高能效电源,以及Bourns ESD电路保护器件为一体的完整方案。该方案可以让开发者获得一份高性价比的BOM清单,也让产品开发更为便捷。世健公司进一步介绍说,根据客户的反馈,这一集成了业界领先芯片的方案具有非常出色的稳定性和可靠性,可以广泛用于Type-C Dongle、电源适配器、专用eMark电缆等产品中,特别是在中高端产品中有很强的竞争力。

总之,随着USB Type-C商用进程的加速,其强大的功能会逐渐显现出来,各种创意产品也会层出不穷。用户在享受USB Type-C强大的功能性的同时,也会兼顾可靠性和安全性,这是电路保护器件厂商的一次难得的商机。

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