保護USB Type-C連接器免受ESD和過熱影響
作者 : Todd Phillips，Littelfuse電子業務部全球市場經理
行動裝置工程師可以使用瞬態電壓抑制器(TVS)二極體保護USB線路，使用數位溫度指示器保護USB Type-C連接器，從而保護他們的設計。
今天的消費者早已經習慣採用USB-C或USB-Type C通訊介面標準的行動裝置，包括智慧型手機和平板電腦到穿戴式裝置和筆記型電腦。USB埠還可兼作大多數此類裝置的快速充電埠。因此，設計針對靜電放電(ESD)和過熱情況的強大保護變得極之重要。
USB-Implementers Forum (USB-IF)對該標準進行了四次重大修訂。它於1996年首次進行標準化，一直提高速度並允許更大的功率承載能力。USB標準從1.0版開始，一直發展到2.0版、3.x版，目前更新至第4版——USB4。表1列出了從2.0到USB4的版本，並顯示每個版本的傳輸能力如何大幅增加。
表1：USB標準演進顯示各代版本的傳輸速率持續提升。(資料來源：Littelfuse)
為了處理更高的資料傳輸速率和更高的電源傳輸，USB Type-C電纜和連接器標準已更新至2.12版本，USB-PD (電源傳輸)標準已更新至3.1版本。圖1顯示可以實現增強型USB功能集的Type-C連接器。PD版本允許透過USB介面對裝置進行充電和供電。最大功率容量從2.5W (5V@0.5A)增加至100W (20V@5A)，目前已到240W (48V@5A)的功率範圍。更高的功率容量將為USB-C開啟新的供電和充電應用，例如遊戲筆記型電腦、擴展底座、4K顯示器和多合一電腦。
圖1：USB Type-A和Type-C連接器。與Type-A連接器的4針相比，Type-C連接器有24針。Type-C連接器的訊號觸點間距為0.5mm。(資料來源：Littelfuse)
對產品可靠性的挑戰
雖然不斷發展的標準提高了資料傳輸速率並增加了充電功率，但這些標準並未直接規定保護USB介面免受外部危害的具體方法。本文將介紹消除ESD和過熱情況導致故障可能性的方法。這些技術對於確保產品更加可靠及穩健極為重要。
保護USB埠免受ESD影響
透過電纜和連接器暴露於外部環境的電子電路(例如USB埠)是ESD的潛在目標。ESD衝擊可以透過人的直接接觸或透過空氣發生(如果能量源對電子電路產生電弧)。ESD衝擊可高達30kV或更高，上升時間很快，並且可以熔化矽材和導線，電流高達30A。ESD具有如此大的能量，可能導致元件完全失效。
除此之外，ESD衝擊會造成更微妙的損壞。ESD引起的電流會導致軟故障，包括邏輯元件的狀態變化、閂鎖效應或不可預測的行為。這可能會導致資料流損壞，需要重新發送資料，而這會降低資料傳輸速率。如果發生閂鎖效應故障，系統將需要重新開機。ESD還可能導致潛在缺陷，其中元件仍然可以工作，但已退化並可能過早失效。
產品需要具有強大的防靜電能力，以獲得高可靠性。它們還必須符合IEC 61000-4-2等國際標準，才能在世界上所有地區進行銷售。圖2顯示IEC 61000-4-2規定的ESD模擬測試波形，產品必須能夠通過，才可獲得CE認證。
圖2：IEC 61000-4-2中規定的ESD測試波形。(資料來源：Littelfuse)
目前有多種產品可用於保護通訊連接埠免於受到ESD損害。圖3顯示推薦的保護元件，可以用於具有高達100W的供電能力和高達240W的擴展供電範圍的USB介面線路。推薦的元件是瞬態電壓抑制器(TVS)二極體。表2描述元件技術及其各自的特性和優勢。
圖3：USB介面方塊圖顯示了推薦的ESD保護元件(參見表2)。(資料來源：Littelfuse)
表2：推薦的USB保護技術。(資料來源：Littelfuse)
對於USB 2.0線路，請考慮使用SP3530單向TVS二極體或同等產品。這種TVS二極體可以安全地吸收22kV ESD衝擊，幾乎是IEC 61000-4-2要求的8kV水準的3倍，而且不會衰減。通常，0.3pF的低電容可以最大限度地減少對訊號轉換的干擾。該元件採用0201表面貼裝封裝，目的在節省PC板空間。
SuperSpeed線路需要一個具有盡可能低電容的元件，以免降低高速資料傳輸的性能。例如，SP3213雙向TVS二極體，兩個陽極到陽極連接的二極體為高達12kV的ESD衝擊提供保護。這些二極體通常只消耗20nA的漏電流，以最大限度地降低電路功耗，並採用精巧的µDFN-2表面貼裝封裝。
對於邊帶使用(SBU)和配置通道(CC)線路，可以考慮使用SP1006單向TVS二極體。該元件在µDFN-2封裝中可以安全地吸收30kV ESD衝擊。SP1006是一款非常可靠的TVS二極體，符合AEC-Q101標準，適用於USB通訊的汽車應用。
Vbus線路要求TVS二極體能夠承受比訊號線保護元件更高的功率級。SPHV系列200W TVS二極體可保護容量為100W的Vbus線路。SPHV二極體可承受30kV的ESD衝擊，並通過AEC-Q101認證，採用表面貼裝封裝。對於擴展功率範圍介面，一個例子是SMBJ二極體的解決方案。它具有比SPHV二極體更高的600W峰值額定功率，並且可以吸收高達30kV的ESD衝擊。與其它推薦用於USB埠的TVS二極體一樣，SMBJ二極體是表面貼裝元件。
每個不同的TVS二極體都具有一個必要的功能，以保護一組特定線路免受ESD影響，並且不會干擾線路的性能。將這些二極體結合到電路中可以防止即時故障、軟故障和潛在的過早失效。
防止USB Type-C插頭和插座過熱
USB Type-C連接器的密度高，更容易受到污垢和灰塵的污染，從而導致電源與接地線之間的電阻性故障。再加上Vbus線路上的較高功率，USB連接器存在更大的過熱風險，這可能會損壞連接器、電纜和連接的埠電子裝置。溫度升高可能會熔化連接器，或者在最糟糕的情況下引發火災。
防止過熱的解決方案是數位溫度指示器，其設計符合USB Type-C電纜和連接器規範。當溫度指示器檢測到100℃或更高的溫度時，其電阻會增加至少五(5)十倍。本文中引用的元件技術實例是Littelfuse獨特的setP數位溫度指示器。其特性曲線如圖4所示。
圖4：以Littelfuse setP為例的溫度指示器的電阻與溫度曲線圖。(資料來源：Littelfuse)
如圖3所示，溫度指示器放置在配置通道線中。它沒有放置在Vbus線路中，因此它不會降低任何電壓或功率，也不會降低Vbus線路上的供電容量。如果元件檢測到溫度達到100°C，則其電阻會大幅增加。USB協定將高電阻解釋為源連接、Vbus和接收器連接、負載之間的開路連接，並且Vbus線路被停用。
當導致過熱的條件得到糾正，並且感測器的溫度降至100°C的閾值以下時，其電阻會恢復到10Ω左右的低溫值，並且Vbus會重新通電。為了獲得最佳結果，溫度指示器應內建在USB插頭或插座中，以便監測故障源的連接器溫度。
與必須在Vbus線路中的正溫度係數裝置或小型斷路器不同，數位溫度指示器不會消耗功率，也不會降低功率輸送能力。除此之外，這些其它元件僅限於100W和更低的功率，這將阻止它們在擴展功率範圍的USB Type-C應用中使用。
溫度感測器的尺寸要小，以便能夠在故障源進行檢測。它還應該能夠在最快一(1)秒內改變其電阻狀態，以防止對電纜和電子元件的損壞。圖5顯示了溫度指示器如何在過熱故障期間保持安全的連接器表面溫度。
當溫度指示器(A Littelfuse setP)用於過熱保護時，連接器表面溫度的較低上升比較。(資料來源：Littelfuse)
總結
如果沒有適當的保護，USB Type-C連接器中的ESD或碎屑，可能會導致用戶日常依賴的貴重消費性電子產品出現現場故障。電子工程師可以通過使用TVS二極體保護USB線路免受ESD干擾，並使用數位溫度指示器以防止連接器過熱，從而保護他們的最新設計。隨著行動裝置變得更小、更複雜以及對更快充電的需求不斷增加，設計人員面臨著更大挑戰，也就是尋找更小的表面貼裝保護元件，以適應有限的空間，並最大限度地減少PCB空間以實施必要的保護。
預先考慮這些重要的設計注意事項有助於防止終端用戶出現問題。它還有助於提高產品性能、延長產品壽命，並使消費者更稱心滿意。
(參考原文：How to protect USB-C connectors from ESD and overtemperature，by Todd Phillips)
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