如何增强对USB Type-C数据信号保护

介绍

新的 USB Type-C ® （USB-C） 电缆和连接器规范极大地简化了我们互连和为数码相机和超薄平板电脑等电子产品供电的方式。该规范支持高达 15W 的 USB-C 充电应用，并且将充电功率扩展至 100W 的 USB-C 供电 （PD） 包括可互换充电的各种不同设备。USB Type-C 为保护系统带来了新的挑战。新连接器的间距小于 USB Micro-B 的间距，这会增加 VBUS 机械短路的风险。此外，由于与 USB PD 相关的高电压，需要更强大的保护。最后，电子负载的日益复杂性要求加强对 ESD 和电压浪涌的保护。该设计解决方案回顾了 USB Type-C PD 架构以及与 D+/D- 数据信号保护相关的挑战。

USB-C PD系统

图 2展示了一个典型的便携式电源管理设备前端，该设备可连接到 USB-C 电缆并由锂离子 （Li+） 电池供电。

当 VBUS 存在时，它为充电器、系统和其余模块供电。在这个阶段，电池被充电。当 VBUS 断开时，电池为系统供电。对于 USB-C 电缆，CC1 和 CC2 引脚决定端口连接、电缆方向、角色检测和端口控制。D+/D- 线是标准的 USB-C 通信线，以 480Mbps 的速度处理数据，并受到 D+/D- 保护装置的保护。PD 控制器实现供电协议。

图 2. USB PD 电源管理系统

保护挑战

电源中的电涌和静电放电 （ESD） 很常见，可能会干扰或导致电子负载和设备损坏。ESD 是由静电荷从身体转移到电子电路引起的，是手持电子设备的一个大问题。浪涌可能是由闪电引起的，也可能是在靠近雷击的地方铺设的长电缆中引起的。开关或继电器会在开启和关闭操作期间引起浪涌。负载突降是通过切断汽车上的电池连接而产生的浪涌。一个好的数据线保护 IC 应该提供足够的保护而不会显着降低数据质量。

综合解决方案

例如，MAX20334是一款 2 x SPDT 开关，具有过压保护功能，适用于便携式设备（图 3）。该 IC 旨在保护下游数据线免受高压短路、ESD 或浪涌事件的影响。该器件结合了便携式电子设备中高性能开关应用所需的低导通电容和低导通电阻。该 IC 具有内部正过压和浪涌保护功能。该器件可处理 USB 低/全/高速信号，并采用 2.7V 至 5.5V 电源供电。该 IC 采用 12 凸块 （1.23mm x 1.63mm） 晶圆级封装 （WLP），可在 -40°C 至 +85°C 扩展温度范围内工作。

图 3. 具有扩展保护的 2 个 SPDT 开关

扩展保护

ESD 保护结构集成在所有引脚上，以防止在处理和组装过程中遇到高达 ±2kV（人体模型）的静电放电。COMA 和 COMB（图 2 和图 3）进一步受到高达 ±15kV（人体模型）、±15kV（IEC 61000-4-2 中描述的气隙放电方法）和 ±8kV（接触放电方法中描述的接触放电方法）的 ESD 保护IEC61000-4-2） 无损坏。ESD 结构可承受高 ESD，无论是在正常操作中还是在设备断电时。在 ESD 事件之后，IC 继续工作而不会发生闩锁。该 IC 具有 -30V 至 +45V （IEC61000-4-5） 的浪涌保护和高达 +20.5V 的过压保护。

图 4将这种高度集成的扩展保护解决方案的 PCB 布局与提供纯正电涌保护和较低 OV 和 ESD 保护的典型竞争对手器件进行了比较。后者将需要额外的电路来满足 ESD/浪涌/OV 规范，从而导致更昂贵的 BOM 和 5 倍更大的 PCB 有效面积占用。

图 4. 扩展保护优势

数据的完整性

图 5中的眼图一目了然地显示了数据信号的良好完整性水平，因为弯曲的蓝线与禁止的红色区域保持接近最大的距离。保护 IC 的高带宽使信号上升和下降时间和抖动的减慢最小，从而产生良好的误差容限，这对于通过 USB 一致性测试很重要。

图 5. D+/D- 眼图

结论

USB Type-C 为我们的电子产品（如数码相机和超薄平板电脑）的互连、供电和保护带来了新的挑战。新连接器的间距小于 USB Micro-B 的间距，导致 VBUS 机械短路的风险增加。此外，由于与 USB PD 相关的高电压，需要更强大的保护。最后，电子负载的日益复杂性要求加强对 ESD 和电压浪涌的保护。在本设计方案中，我们展示了具有高达 ±15kV ESD 保护、-30V 至 +45V 浪涌保护和 +20.5V 过压保护的增强型保护器件可以单独保护数据线，与集成度较低的器件相比，满足 ESD/具有较低 BOM 和较小 PCB 有效面积占用的浪涌/OV 规格。

审核编辑：郭婷