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強化保護USB-C功率傳輸數據線

作者 : Nazzareno Rossetti，ADI

USB-C在數位相機和超薄平板電腦等電子產品的互連、供電和保護方面帶來了新的挑戰...

新的USB Type-C (USB-C)電纜和連接器規範大幅簡化了實現互連和為數位相機、超薄平板電腦等電子產品供電的方式(圖1)。該規範支援高達15W的USB-C充電應用，而USB-C功率傳輸(PD)將充電能力擴展至100W，包括各種可互換充電的裝置。USB Type-C在系統保護方面帶來了新的挑戰。新連接器的間距比USB Micro-B小，增加了VBUS發生機械短路的風險。

此外，由於USB PD具有高電壓，需要更強大的保護。最後，電子負載越來越複雜，需要加強ESD和電壓突波保護。此設計解決方案首先探討了USB Type-C PD架構以及與D+/D-數據訊號保護相關的挑戰。之後提出了一種高度整合的2 x SPDT開關，只需較少的BOM和PCB佔用空間就能因應相關挑戰。

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圖1：數位相機透過USB-C電纜連線到平板電腦。

USB-C PD系統

圖2顯示了一個典型的可攜式電源管理裝置前端，該設備可連接到USB-C電纜，並且由鋰離子(Li+)電池供電。

當存在VBUS時，其為充電器、系統和其餘模組供電。同時，對電池充電。當VBUS斷開時，電池為系統供電。使用USB-C電纜時，CC1和CC2接腳決定埠連接、電纜方向、角色(role)檢測和埠控制。D+/D-線是標準的USB-C通訊線，以480Mbps的速度處理數據，並受到D+/D-保護裝置的保護。PD控制器實現供電協議。

圖2:USB PD電源管理系統。

保護挑戰

電源中出現電湧和靜電放電(ESD)很常見，可能會干擾或導致電子負載和設備損壞。ESD是由於靜電荷從人體轉移到電子電路引起的，這是手持電子裝置面臨的一大問題。突波可能是由閃電引起的，也可能是導因於靠近雷擊處鋪設的長電纜所引起。開關或繼電器會在開啟和關閉操作期間引起突波。負載突降是透過切斷汽車上的電池連接而產生的突波。良好的數據線保護IC應能提供足夠的保護，而不會明顯降低數據品質。

整合解決方案

例如， MAX20334 為一款2 x SPDT開關，具有過壓保護功能，適用於可攜式裝置(圖3)。該IC目的在保護下游數據線免受高壓短路、ESD或突波事件的影響，並具有可攜式電子裝置中高性能開關應用所需的低導通電容和低導通電阻。該IC具有內部正過壓和突波保護功能。該裝置可處理USB低/全/高速訊號，並採用2.7V至5.5V電源供電。該IC採用12接腳(1.23mm x 1.63mm)晶圓級封裝(WLP)，可在-40°C至+85°C延展溫度範圍內工作。

圖3：具有擴展保護的2 x SPDT開關。

擴展保護

所有接腳均採用了ESD保護結構，以防止在處理和組裝過程中遭受高達±2kV (人體模型)的靜電放電。COMA和COMB (圖2和圖3)進一步受到高達±15kV(人體模型)、±15kV (IEC 61000-4-2中描述的氣隙放電方法)和±8kV (IEC61000-4-2中描述的接觸放電方法)的ESD保護，且不會造成損壞。ESD結構在正常運作和裝置斷電時均可承受高ESD。在ESD事件之後，IC可繼續工作而不發生閂鎖。該IC受到-30V至+45V (IEC61000-4-5)的突波保護和高達+20.5V的過壓保護。

圖4將此種高度整合的擴展保護解決方案的PCB佈局與提供純正電湧保護及較低OV和ESD保護的典型競爭產品進行了比較。後者需要額外的電路來滿足ESD/突波/OV規範要求，也增加了BOM成本，同時PCB佔用空間更擴增了5倍。

圖4：擴展保護優勢。

數據完整性

從圖5的眼圖可明顯看出，彎曲的藍線與禁止的紅色禁區保持接近最大(close-to-maximum)的距離，數據訊號具有良好的完整性。保護IC的高頻寬使訊號升降時間和抖動的下降幅度最小，進而產生良好的誤差容限，這對於透過USB一致性測試相當重要。

圖5：D+/D-眼圖。

結論

USB Type-C在數位相機和超薄平板電腦等電子產品的互連、供電和保護方面帶來了新的挑戰。新連接器的間距比USB Micro-B小，增加了VBUS發生機械短路的風險。此外，由於USB PD具有高電壓，需要更強大的保護。最後，電子負載越來越複雜，需要加強ESD和電壓突波保護。本設計解決方案採用提供高達±15kV ESD保護、-30V至+45V突波保護和+20.5V過壓保護的增強型保護裝置，可單獨保護數據線，相較於整合度較低的裝置，其能以更低的BOM和更小的PCB佔用空間滿足ESD/Surge/OV規範要求。