解决便携式设备的USB Type-C端口保护问题

USB Type-C连接器于五年前首次推出，当时它已被广泛用作便携式消费电子产品的首选连接器。这个单一的连接器为手机、平板电脑和其他便携式设备提供数据、视频和音频接口。

USB Type-C 端口还提供电力输送以操作系统、为电池充电或为连接的外围设备供电。连接器插座具有可逆引脚配置，以消除对连接器极性的担忧。但是，便携式产品上的外部端口会使设备面临多种危险、对地或相邻连接器引脚短路、可能施加超出设计限制的电压或信号电平以及静电放电 (ESD)事件。

USB Type-C 连接器内非常紧凑的引脚间距或触点间距带来了风险和挑战。连接器内的引脚间距为 0.5 毫米，因此很容易受到攻击。如果插头在插入插座时扭曲或在金属异物接触引脚的情况下，引脚之间可能会发生短路。任何带有 USB 端口的便携式产品的另一个设计问题是无法控制最终用户可以连接到该端口的第三方外围设备。

此类设备可能不符合 USB 或产品规格，从而损坏连接到端口的上游电路。以前，端口保护设备采用分立器件或单一用途的保护开关 IC 来保护 VBUS 和数据线。这些解决方案成本高昂，并且需要产品内部宝贵的印刷电路板空间。离散保护解决方案对于系统控制器硬件和设计标准的验证也是资源密集型的。为了缓解这个问题，现在可以使用高度集成的端口保护设备来简化易用性、设计任务和行业标准的验证。一个例子是新的 KTU1125Kinetic Technologies , Inc. 像 KTU1125 这样的器件可以增加所需的电路保护、减小组件占位面积并最终降低产品成本，同时提高产品可靠性。
 

图1：KTU1125功能框图

USB Type-C 连接器的主要功能是将设备 VBUS 连接到外部电源以为系统供电并为内部电池充电。在许多情况下，VBUS 起到双重作用，为连接的外围设备供电。VBUS 引脚可施加 5 V 至 20 V 之间的输入电压电平，电流电平范围为 500 mA 至 5 A，达到高达 100 W 的功率电平。

根据 USB 标准，施加到 VBUS 的初始电压不应超过5 V。KTU1125 及其类似设备具有 6 V 的默认过压保护 (OVP)，以防止出现故障电压源。对于高级设计，OVP 关断阈值可以通过 I2C 总线编程控制动态增加，以适应更高的输入端口功率功能。

这允许设备在启动时受到保护，还可以调整到任何给定的 OVP 级别，以支持设备运行，以承受 USB 标准的指定限制。当发生 OVP 事件时，典型的保护开关将在 100 ns 内关闭并断开 VBUS 与系统的连接，以防止发生损坏。VBUS 保护开关的另一个关注参数是最大浪涌或关断电压规范。

当施加的输入超过 OVP 阈值时，开关将关闭以保护系统。开关必须能够承受更高的电压水平而不会损坏，以保护自身和系统。该参数被定义为浪涌电压规格。像 KTU1125 这样的良好保护开关可以承受从 VBUS 到地施加高达 100 V 的电压而不会损坏。在正常工作条件下，无论电流方向如何，VBUS 保护开关都会监控电流。如果电流超过预设水平，将触发过流保护 (OCP)。

如果发生接地短路，OCP 电路将断开开关并在短路消除后恢复工作。KTU1125 还为设计人员提供了先进的可编程过流限制功能，可将电流限制在预设水平，从而允许系统在受保护的条件下运行。

在关闭状态下，VBUS 保护开关采用反向电流阻断来防止外部连接的设备损坏系统或耗尽内部电池。当短路消除时，OCP 电路将断开开关并恢复工作。KTU1125 还为设计人员提供了先进的可编程过流限制功能，可将电流限制在预设水平，从而允许系统在受保护的条件下运行。

在关闭状态下，VBUS 保护开关采用反向电流阻断来防止外部连接的设备损坏系统或耗尽内部电池。当短路消除时，OCP 电路将断开开关并恢复工作。KTU1125 还为设计人员提供了先进的可编程过流限制功能，可将电流限制在预设水平，从而允许系统在受保护的条件下运行。在关闭状态下，VBUS 保护开关采用反向电流阻断来防止外部连接的设备损坏系统或耗尽内部电池。

图 2：带有系统中断故障标志的典型 VBUS 过压关断响应

USB Type-C 标准提供位于 VBUS 引脚附近的低速数据和控制输入/输出线。USB Type-C 连接器的布局具有镜像引脚的优势，无论插头方向如何都允许连接。但是，此功能意味着必须保护引脚免受外部不利条件以及直接短路到 VBUS 的可能性。参考图 3，可以看到由于 0.5 毫米细的连接器间距，在靠近 VBUS 的配置控制 (CC) 和边带使用 (SBU) 引脚之间存在短路风险。插入 USB Type-C 插座的扭曲插头或金属异物可能会导致 VBUS 短路。

图 3：USB Type-C 插座连接器

在正常情况下，施加到 VBUS 的电压电平可高达 20 V，这很容易损坏上游 CC 和 SBU 数据线电路。但是，CC 和 SBU 引脚用于不同的功能，具有不同的保护要求。

顾名思义，CC 引脚用于功能 - 端口功能的控制和配置，可能包括电缆检测、插头方向、角色检测或模式。在某些用途中，CC1 引脚可以切换为 VCONN 功能的电源。施加到 CC 引脚的典型信号电平最高可达 5 V；因此，这些引脚的 OVP 阈值通常设置为 6 V。因此，如果以大于 5 V 的电平与 VBUS 短路或当施加的信号电平超过标称的最大值 5 V 时，端口应关闭并受到保护。

CC 引脚还应在停机后承受高达 25 V 的浪涌电压水平而不会损坏，以符合端口标准 (IEC16000-4-5)。图 4 显示了 20V 热插拔关断保护事件。CC 或 SBU 开关的输入侧上升到 20 V，而开关断开到输出侧以保护系统。在系统为一个 CC 引脚分配 VCONN 功能的作用下，它被设计为在 5 V 时提供高达 1.0 W 的功率。为了保护上游电池或电源，需要一个限流控制。KTU1125 通过用户可选择的 VCONN 限流选项提供此功能。

系统通常要求配电 (PD) 控制器监控 CC 线路以捕获电压降事件，以实现从 VBUS 上的灌电流到拉电流的角色交换。

USB-PD 标准规定从灌电流切换到拉电流的时间为 150 μs。这是 PD 控制器检测角色交换、将信息传递给系统并让系统做出反应以避免 VBUS 电源故障的时间。当连接到端口的设备正在传输易失性数据并有丢失数据的风险时，这可能是一个问题。为了减轻对 PD 控制器的依赖和系统响应时间的不确定性，以满足 150-μs 的要求，KTU1125 具有自监控 CC 线路以适应快速角色交换 (FRS) 条件的独特功能。

当通过 I2C 接口启用 FRS 功能时，KTU1125 将监控 CC1/CC2 线路的 VCCn ≤ 0.49 V for 30 μs ≤ time ≤ 50 μs 的情况。当满足 FRS 的 CC 线路条件时，KTU1125 将在 150 μs 内将 VBUS 从电流吸收器切换到电流源，以减少 VBUS 电源中断的机会。此外，IC 提供了一个硬件 FRS 标志来提醒系统请求的功能更改。
 

图 4：CC 和 SBU 数据线 20V 热插拔浪涌保护关断响应

SBU 输入通常用于交替模式功能或 DisplayPort 高分辨率视频功能。SBU 引脚的多用途特性需要从端口到系统的 2:1 MUX，以适应上游系统的不同 DisplayPort 和交替模式功能。由于 SBU 保护开关和 MUX 对高速数据的要求，它们需要低电容特性来实现通常在 1 GHz 范围内的高信号带宽能力。图 5 显示 SBU 模拟开关差分带宽大于 1 GHz，以保持高速数据完整性。对于 KTU1125 等保护 IC 的设计人员来说，这带来了关键的设计折衷，因为产生高压和静电放电抗扰度的开关特性对模拟开关具有电容性和带宽限制。

KTU1125 的设计和技术经过平衡，既可实现高带宽信号完整性的目标，又可提供所需的高压保护。SBU 引脚与 CC 引脚具有相同的 VBUS 和外部过压事件风险，但需要较低的 OVP 阈值，因为标称预期信号电平不应超过 3.6 V。为了满足这一要求，KTU1125 提供了一个典型的 OVP 关断阈值3.83 V 以保护上游系统。这些引脚上的关断关态电压保护额定值高达 24 V，因此如果在 20 V 时与 VBUS 短路，不会造成损坏。

SBU 引脚与 CC 引脚具有相同的 VBUS 和外部过压事件风险，但需要较低的 OVP 阈值，因为标称预期信号电平不应超过 3.6 V。为了满足这一要求，KTU1125 提供了一个典型的 OVP 关断阈值3.83 V 以保护上游系统。这些引脚上的关断关态电压保护额定值高达 24 V，因此如果在 20 V 时与 VBUS 短路，不会造成损坏。

SBU 引脚与 CC 引脚具有相同的 VBUS 和外部过压事件风险，但需要较低的 OVP 阈值，因为标称预期信号电平不应超过 3.6 V。为了满足这一要求，KTU1125 提供了一个典型的 OVP 关断阈值3.83 V 以保护上游系统。这些引脚上的关断关态电压保护额定值高达 24 V，因此如果在 20 V 时与 VBUS 短路，不会造成损坏。
 

图 5：KTU1125 SBU 引脚的典型差分带宽响应

无论产品设计得多么仔细或产品如何使用，USB Type-C 端口的所有引脚都可能受到 ESD 事件的影响。没有办法消除 ESD 事件对便携式产品的端口的影响，因此任何端口保护开关都必须防止 ESD 事件，以保护自身和系统。作为给定的最小值，所有开关 IC 引脚都应承受 IEC61000-4-2 最高 ±8 kV 的接触放电水平和最高 ±15 kV 的气隙放电水平。

在 OVP 关闭或器件被禁用时，浪涌电压水平应遵循 IEC61000-4-5 标准，VBUS 开关为 ±100 V，CC 开关为 25 V。ESD 保护规范是产品可靠性不可忽视的重要限制。

为了完善用于 USB Type-C 端口应用的保护开关的多功能性，应考虑默认功能和可编程性。默认配置下的 KTU1125 可用于对 VBUS、CC 和 SBU 数据线进行全面保护，无需 PD 控制器进行设置控制，从而简化低成本设计。同时，像 KTU1125 这样的设备可以通过集成的 I2C 接口提供完整的系统控制和灵活性，并且在允许电流在 VBUS 上流动之前需要 I2C 控制。开关状态、OVP 阈值、电流限制水平和故障状态都可以由系统动态查询和设置，因为条件或模式随着连接到端口的外围设备而变化。

对于便携式电子产品制造商来说，最终用户对产品品牌和数量的感知直接受到他们所购买设备的可靠性的影响。产品制造商无法控制可能连接到其设备上的 USB 端口的内容。第三方和不合规的外部电源和外围设备可能与他们的产品一起使用，这种风险只有通过使产品尽可能坚固才能降低。便携式产品设计人员在功能和数据端口速度与产品质量和可靠性之间取得平衡始终是一个持续的挑战。

值得庆幸的是，IC 制造商正在加紧帮助减轻这一复杂任务。KTU1125 等设备和其他类似设备提供了针对过压、ESD 和过流事件的强大保护。


审核编辑：刘清