使用 USB Type-C 线缆快速充电的大问题

作者：Littelfuse, Inc. 电子业务部全球市场经理 Todd Phillips

尽管智能手机和其他移动设备的无线充电普及率正在迅速增长，但充电电缆不太可能很快完全消失。这是因为有线充电为某些用户提供了优于无线充电的显着优势——主要是有线充电提供了更快的充电速度。

由 USB 实施者论坛 (USB-IF) 制定的 USB 供电 (USB-PD) 和USB Type-C 连接器和电缆组件规范是最新一代有线充电解决方案的核心。USB 电力传输规范通过提供更灵活的电力传输以及通过单根电缆的数据来实现 USB 的最大功能。

符合 USB-PD 和 USB Type-C 规范的快速充电器和电缆可支持高达 100 W 的充电功率水平。根据所涉及的设备，这意味着它们可以比无线充电器更快地为手机或其他设备充电。带有足够长电缆的有线充电器还允许用户在充电时继续与他们的设备进行交互，这对于我们这些手机上瘾的人来说是一个主要优势。

尽管这些优势对用户来说很重要，但对于设计人员来说，考虑与电缆到设备连接处的电源和温度管理相关的安全问题也同样重要。如果没有适当的电路设计（包括温度监控），电缆和连接器会在连接内部积聚污染物，导致它们快速升温，这很容易损坏或破坏电缆和移动设备。

USB Type-C 有线充电的基础知识在任何充电系统中，三个单独的项目必须协同工作——被充电的设备、数据线和充电器。USB Type-C（或 USB‑C）电缆具有一个或多个对称（因此是可逆的）24 针连接器。USB‑C 充电器的一端有一个 AC 插头（用于插入墙上插座），另一端有一根带有 USB‑C 连接器的电缆（用于插入要充电的设备）或 USB‑C 输出端口，用于插入 USB-C 电缆。

从安全角度来看，USB‑C 电缆必须能够承载适当的电压和电流。对于带有固定电缆或固定电缆的充电器，电缆必须能够处理充电器的最大电压输出。每端带有 USB‑C 插头的电缆必须能够处理 21 V 和至少 3 A。包含特殊电子标记 IC 的电缆可以承载 5 A 电流。放置在电源路径中的任何设备，尤其是保护设备，也必须能够承受这些电压和电流水平。

USB‑C 充电损坏的来源USB‑C 连接器的针脚间距为 0.5 毫米，比 USB Type-A 连接器中的 2.5 毫米针脚间距要小得多。这种更紧密的间距显着增加了可能导致热事件的故障风险。当连接器插针变形或灰尘、金属颗粒、头发或其他碎屑卡在 USB‑C 电缆连接器中时，可能会在电源线到地之间产生电阻故障。这些电阻性故障会导致危险的温升，而电流的增加幅度很小。据报道，电缆和设备都受到损坏，甚至发生火灾（图 1）。

图 1：USB‑C 连接器中的电阻性故障会损坏电缆和正在充电的设备。

保护 USB 电缆免于过热的传统方法包括在 V BUS电源线上放置一个聚合物正温度系数 (PPTC) 设备或一个小型断路器（也称为热熔断器） 。所选设备将放置在连接器内的印刷电路板上，以感应电阻故障产生的温升。

然而，在试图抵御高达 100 W 的情况下使用这种方法可能会给设计工程师带来挑战。在电源路径中添加保护装置的缺点之一是，它的电阻，即使只是几毫欧的电阻，也会导致有意义的功率损耗，使制造商更难以满足强制性的效率要求。

USB‑C 连接器的封闭空间也使得难以在内部安装保护设备。适用于保护 60-W 充电器的 PPTC 通常具有 1210 (3.2 × 2.5 mm) 的占位面积，小型断路器通常更大。旨在保护 100 W 的 PPTC 和小型断路器需要更大。此外，小型断路器的机械结构相对较弱，电缆组装过程有可能使构成它们的双金属材料变形，这将阻止它们在加热故障期间提供保护。

新位置的新保护装置解决这些缺点的一种方法是将不同类型的保护装置放置在 USB‑C 连接器的通信通道 (CC) 中，而不是 V BUS线上。为保护 USB‑C 电缆免受过热条件影响而开发的最新设备之一是紧凑型 (2.0 × 1.2 mm) PolySwitch setP 数字温度指示器（图 2）。setP 设备感应到温度升高，然后“提醒”系统关闭电源。

图 2：PolySwitch setP 数字温度指示器有助于防止 USB-C 插头过热。它们的设计符合 USB Type-C 的规格，甚至可以帮助保护最高级别的 USB 供电。

它是这样工作的：一个 setP 数字温度指示器放置在连接器的 CC 线上，当它感应到高于 100°C 的温度时，它会从低电阻状态切换到高电阻状态。这种升高的电阻导致 CC 线上的电压增加到超过 USB 实施者论坛 (USB-IF) 定义的值，以确定源和接收器是否分离。

充电系统假定由于电压高于规范中规定的值，电缆已脱落，因此充电系统通过 V BUS线关闭电源。这可以防止连接器、电缆和正在充电的设备过热。一旦用户断开电缆并清除连接器上的碎屑，电缆就可以恢复正常运行。

凭借紧凑的 0805 (2.0 × 1.2 mm) 尺寸，setP 设备比过去用于此应用的大多数其他解决方案至少小 30%。它们刚性的物理结构还使它们能够可靠地承受现代电缆组装和成型操作。它们非常适合用于 USB-C 充电电缆、USB Power Delivery 充电电缆和带有固定 USB Type-C 电缆的充电器。

结论USB‑C 电缆为用户提供了一种快速、简单的方式来为移动设备充电和传输数据。现在，随着温度指示新解决方案的开发，他们可以确信该过程也将保持更安全。

审核编辑 黄昊宇