USB Power Delivery 3.1 的保护方案应用技术分享

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USB PD3.0快充标准迎来最新的升级，新的PD3.1快充标准将支持48V电压输出，充电功率同步提升至240W。 USB-IF协会发布了USB PD3.1快充协议标准，并更新其中有关供电能力的内容，快充协议中分别定义标准功率范围（Standard Power Range）最大充电功率保持100w不变，以及扩展功率范围（Extended Power Range）新增 28V、36V、48V 三个电压，所对应的电流均为 5 安培，因此最大输出功率从 100W 扩展至 240W。如下图一所示。

 

Power Range	Availiable Current and Voltages	PDP Range
Standard Power Range(SPR)	3A: 5V, 9V, 15V, 20V 5A: 20V	15 - 60W >60 - 100W
Extended Power Range(EPR)	3A: 5V, 9V, 15V, 20V 5A: 20V, 28V, 36V, 48V	15 - 60W >100 - 240W

 

表一、 Fixed Voltage Power Ranges

USB PD3.1规范的推出，未来不会仅局限在于个人电脑、笔记型电脑、平板及智慧型手机等消费型的应用，将会带领USB PD快充进入一个更大的市场，比如电动工具机或两轮电动车等领域。而USB PD3.1主要是建构在USB Type C的实体接口上，除了可以将传输速率最高提升到40Gbit/s，而且还可快速充电，最大供电为240W。此接口在系统上是外露给使用者随时可以插拔的接口，使用者最普遍的应用就是随插即用、随拔即关，然而这个热插拔动作却也经常是造成电子系统工作异常、甚至造成USB Type C控制元件毁坏的元凶，因为静电放电(ESD)等暂态杂讯就是来自这个热插拔动作。在热插拔中，由于接口端的讯号线可能已经带电，这个带电的电缆在接触系统时将造成放电行为，这种事件即为静电放电现象会对系统产生严重破坏，一般称这种现象为直接放电。目前在系统的静电放电测试上，越来越多的厂商要求以Direct-Pin Injection方式测试产品，以此来模拟系统在用户端使用时所遭受到ESD事件。 

除了原先必须通过IEC61000-4-2针对机壳的静电测试规范外，有越来越多品牌厂商已经规范其产品的USB Type C连接器需以Direct-Pin Injection方式测试，甚至部份品牌要求在±8kVESD轰击的条件下，系统必须在不受任何影响之下通过测试，以此来模拟产品售后热插拔时可能遭遇的直接放电事件。因此，使用保护元件于USB Type C介面来防止ESD事件对资料传输的干扰是绝对需要的。图一为Direct-Pin Injection测试设置。

图一、 Direct-Pin Injection测试设置

另外由于电子产品已迅速深入全球各个角落，但许多偏远地区因基础建设不佳，或是气候极端的影响，电子产品遭受EOS(Electrical Over Stress)突波的机率大大提高，所导致返修率也随之提升。 EOS通常产生于AC/DC电源干扰、电源杂讯或热插拔等事件，而目前EOS测试的标准主要是采用IEC61000-4-5的规范，测试电压波形为1.2/50μs，电流波形为8/20μs。部分品牌厂除了制定内规的ESD Direct-Pin Injection方式测试外，还会额外增加EOS Direct-Pin Injection方式测试。图二为EOS Direct-Pin Injection测试设置。

图二、 EOS Direct-Pin Injection测试设置
 

对于USB PD3.1的介面而言，在选择ESD/EOS保护元件时必须考虑到：   

1.     最重要的参考参数是ESD and EOS clamping voltage：ESD/EOS保护元件若要能对系统提供有效保护，除了防护元件本身要能承受够高的ESD/EOS轰击外，还需要考虑钳制电压是否够低，使得ESD/EOS的能量能被钳制在更低的电压以防止系统内部电路受到损毁，此钳制电压是判断ESD/EOS保护元件对于系统电路保护效能最重要的参数。  

2.     此介面可提供快速充电需求，分别可以支援5V/9V/15V/20V/28V/36V/48V等不同电压。充电时因频繁的热插拔动作可能在电源线上产生频繁ESD/EOS威胁，因此需在系统上采用更加完善的外部突波ESD/EOS保护方案设计。 

晶焱科技拥有先进的ESD/EOS防护设计技术，特别针对USB PD3.1的防护需求，推出不同电压的ESD/EOS防护元件。如下图三所示。

图三、 USB PD 3.1 Solution

此接口可提供快速充电，在电源端需选用一颗ESD/EOS的防护元件，依据设计的电压来选用合适的ESD/EOS元件来保护，就可以保护此接口不受ESD/EOS的威胁，图四即为完整的USB PD3.1介面的ESD/EOS解决方案保护线路。

图四、 USB PD3.1介面的ESD/EOS解决方案保护线路

审核编辑 黄宇