USB-C供电数据线需要增强保护

USB-C 和 USB-C 供电提高了电压和功率水平。与USB Micro-B相比，引脚间距更紧密的新型可逆连接器增加了短路的风险。再加上便携式设备日益复杂，导致ESD、浪涌和过压保护要求越来越高。在此设计解决方案中，我们提出了一种紧凑、功能齐全的保护IC，可以显著降低BOM和PCB空间占用。

介绍

新的 USB Type-C （USB-C） 电缆和连接器规范极大地简化了数码相机和超薄平板电脑等电子产品的互连和供电方式（图 1）。该规范支持高达 15W 的 USB-C 充电应用，USB-C 供电 （PD） 可将充电功率扩展到 100W，包括可互换充电的各种不同设备。USB Type-C在保护系统方面带来了新的挑战。新连接器的间距比USB Micro-B的间距小，这导致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，电子负载的复杂性不断增加，需要增强ESD和电压浪涌保护。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。然后，它提出了一个高度集成的2 x SPDT开关，可以以最小的BOM和PCB占用来应对这些挑战。

USB-C PD 系统

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

当 VBUS 存在时，它会为充电器、系统和其余模块供电。在此阶段，电池充电。当 VBUS 断开连接时，电池将为系统供电。使用 USB-C 电缆，CC1 和 CC2 引脚确定端口连接、电缆方向、角色检测和端口控制。D+/D-线路是标准的USB-C通信线路，以480Mbps的速度处理数据，并受D+/D-保护设备保护。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，可能会干扰或损坏电子负载和设备。ESD是由静电电荷从身体转移到电子电路引起的，是手持电子设备的一大问题。浪涌可能是由雷电引起的，也可能是在雷击附近铺设的长电缆中引起的。开关或继电器在开和关操作期间可能会导致浪涌。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，而不会显著降低数据。

集成解决方案

例如，MAX20334是一款具有过压保护功能的2 x SPDT开关，适用于便携式设备（图3）。该 IC 设计用于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产品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 低速/全速/高速信号传输，采用 2.7V 至 5.5V 电源供电。该 IC 采用 12 焊球 （1.23mm x 1.63mm） 晶圆级封装 （WLP），工作温度范围为 -40°C 至 +85°C。

图3.2 x SPDT 开关，带扩展保护。

扩展保护

所有引脚均采用ESD保护结构，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3）进一步防止高达±15kV（人体模型），±15kV（IEC 61000-4-2中描述的气隙放电方法）和±8kV（IEC61000-4-2中描述的接触放电方法）的ESD，而不会损坏。ESD 结构可承受高 ESD，无论是在正常工作时还是在器件断电时。ESD事件发生后，IC继续工作，无需闩锁。该IC具有-30V至+45V浪涌保护（IEC61000-4-5）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布局与提供仅正电涌保护以及较低OV和ESD保护的典型竞争器件进行了比较。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倍的PCB有效占用。

图4.扩展保护优势。

数据完整性

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距离。保护IC的高带宽导致信号上升和下降时间和抖动的减速最小，从而产生良好的误差余量，这对于通过USB一致性测试非常重要。

图5.D+/D-眼图。

结论

USB Type-C在互连，电源和保护我们的电子产品（如数码相机和超薄平板电脑）方面带来了新的挑战。新连接器的间距比USB Micro-B小，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，电子负载的复杂性不断增加，需要增强ESD和电压浪涌保护。在该设计解决方案中，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手保护数据线，并且与集成度较低的器件相比，满足ESD/浪涌/OV规范，具有更低的BOM和更小的PCB有效面积占用。

审核编辑：郭婷