USB端口迁移到最新的USB标准和USB Type-C连接器

若您是一名设计师，负责将系统中的USB端口迁移到最新的USB标准和USB Type-C连接器，那么您可能已考虑过一些事情。

ESD保护

首先，与从外部将连接器暴露给用户的所有系统一样，您的系统需具有国际电工委员会（IEC）61000-4-2静电放电（ESD）保护。您还需要保护比以前的USB Type-A或USB Micro-B连接器更多的信号引脚。24引脚USB Type-C连接器（图1）需要为两个差分对（D + / D-）提供ESD保护，用于USB 2.0数据；四个差分对用于最高可达20Gbps（TX / RX）的超高速数据总线、边带使用（SBU）引脚和两个配置通道（CC）引脚，用于检测电缆方向。

图1：全功能的USB Type-C插件引脚排列

过压保护

其次，随着高达100 W USB电源输出（PD）的引入，VBUS引脚现在可承载高达20V的电压电平。若VBUS短路到相邻的CC，可能对下游USB Type-C控制器或SBU引脚造成严重损坏。为防止硬件系统故障，除ESD保护之外，连接器还需要过电压保护。听起来很简单，是吗？

考虑到过压保护（OVP）事件的风险，ESD二极管本身也必须能够承受20VDC。目前许多较高耐压保护选项在电压过高时钳位，在IEC ESD触发事件中保护下游控制器。现在考虑当电缆存在于连接器处（或当电缆不存在）时，短路到VBUS事件中对系统的影响。当电缆引起可能超过40V的振铃时，解决方案必须保护系统。简而言之，坚固的USB Type-C连接器保护不仅需要标准ESD二极管，而且需要具有更高电压、直流耐受的瞬态电压抑制器（TVS）二极管。

需要在OVP和IEC ESD保护的连接器进行系统保护，但是一个完整的USB Type-C端口保护解决方案应该使您的系统符合新的USB标准的规格。例如，若您的系统利用USB Type-C的新功能（例如支持超高速通信），则USB Type-C规范要求CC线路上的VCONN支持为活动电缆供电。要使OVP解决方案在CC线路上运行，必须支持通过5.5VDC电源轨。端口保护还必须具有低导通电阻（RON），以确保电源轨上的总压降不超过USB规范要求。

若您的系统是电池供电型，依靠Type-C连接器作为电源，则解决方案必须保护CC线路免受过压状况，即使在电池电量耗尽的情况下也是如此。

这些及其他复杂场景得出一个鲁棒的解决方案，保护USB Type-C端口不像添加ESD保护二极管和OVP FET那么直接易见。OVP FET需要承受由高压离散TVS二极管给出的钳位电压，这使得FET成本高且体积大，具有较低的RON要求。这使得离散实现变得复杂且成本昂贵，同时在USB Type-C连接器的紧凑尺寸周围消耗的占用面积也很大。

最后，若您正在阅读此文，可自己思考，“我的系统很简单，因为它不支持更高瓦数（> 15W）的PD功能，完全符合<15W PD的规格，”注意已发现市场上大百分比的USB Type-C电缆和适配器不符合标准，而其他类型可能有故障（图2）。即使在5V系统中，在与控制器的PD协商之前，也存在可能发生高达20V的短路至VBUS的风险。就像这样，系统损坏，您的产品声誉将会受损。

图2：常规和故障型壁式适配器的CC引脚暴露

要想了解有关USB C型端口保护的设计注意事项的更多信息，请阅读TI的白皮书：“电路保护USB Type-C™”。集成TI的USB Type-C端口保护器系列的设备，例如TPD8S300或TPD6S300，可解决将USB端口迁移到新的USB Type-C连接器所带来的复杂性。

审核编辑：何安淇