探秘TPD4S201-Q1：USB Type-C 端口保护的得力助手

在当今数字化时代，USB Type-C 接口凭借其诸多优势，已经广泛应用于各类设备中。然而，USB Type-C 连接器存在着引脚间距小、易受外界因素影响等问题，导致短路和静电放电等故障时有发生。为了解决这些问题，德州仪器推出了 TPD4S201-Q1 单芯片 USB Type-C 端口保护器件。下面就让我们一起深入了解这款器件。

文件下载：tpd4s201-q1.pdf

1 特性亮点

1.1 过压保护

市场上不符合 USB Type-C 规格的产品和配件较多，同时连接器引脚近，易出现 28V VBUS 与其他引脚短路情况。TPD4S201-Q1 在 CC 和 SBU 或 USB2 引脚上提供过压保护，能让 CC 和 SBU 引脚耐受 28V 电压，且不干扰正常运行。它通过在 SBU 和 CC 线路上放置串联的高压 FET，当检测到高于 OVP 阈值的电压时，高压开关打开，隔离系统与高压状态。

1.2 汽车级标准

该器件符合汽车应用要求，具有 AEC - Q100 标准的特性，器件温度等级 2，环境工作温度范围为 –40°C 至 +105°C。这使得它在汽车电子环境中能稳定可靠地工作。

1.3 多通道保护

• 4 通道 VBUS 短路过压保护：对 CC1、CC2、SBU1、SBU2 提供保护，可耐受 28VDC。
• 4 通道 IEC 61000 - 4 - 2 ESD 保护：同样针对 CC1、CC2、SBU1、SBU2 引脚，集成了该保护功能，无需再在连接器外部放置高电压 TVS 二极管。

  1.4 其他特性

• 浪涌保护：CC1 和 CC2 以及 SBU1 和 SBU2 引脚上均提供 ±35V 浪涌保护。
• 集成电阻器：集成 CC 无电电池电阻器，可处理无电电池用例。
• 封装形式：采用 3.5mm x 3.5mm QFN 封装，节省空间。

2 应用场景

TPD4S201-Q1 主要应用于汽车领域，包括汽车 USB 充电、汽车媒体中心、汽车音响主机和汽车显示模块等。在这些应用中，它能确保 USB Type-C 端口的稳定和安全，为汽车电子设备的正常运行保驾护航。

3 引脚配置与功能

TPD4S201-Q1 采用 20 引脚 QFN（RGR 封装），各引脚具有不同的功能。例如，CC1、CC2 引脚分别连接到 CC/PD 控制器的 CC 引脚，用于传输信号；C_CC1、C_CC2 等引脚连接到 USB Type-C 连接器的相应引脚，起到信号转接的作用。还有用于故障报告的 FLT 引脚，以及为器件供电的 VPWR 引脚等。这些引脚的合理配置使得器件能够实现各项保护功能。

4 规格参数

4.1 绝对最大额定值

器件的各个引脚和参数都有其绝对最大额定值，如 VPWR 电压范围为 -0.3V 至 5V，输入电压 RPD_G1、RPD_G2、VBUS 为 -0.3V 至 28V 等。超出这些额定值运行可能会对器件造成永久损坏。在实际设计中，我们必须严格遵守这些参数，以确保器件的可靠性和稳定性。

4.2 ESD 等级

• JEDEC 规格：人体放电模型（HBM）符合 ANSI/ESDA/JEDEC JS - 001 标准，静电放电电压为 ±2000V；充电器件模型（CDM）符合 JEDEC 规范 JESD22 - C101，静电放电电压为 ±500V。
• IEC 规格：在接触放电和气隙放电方面，C_CC1、C_CC2、C_SBU1、C_SBU2 引脚都有相应的 ESD 等级，如接触放电为 ±8000V，气隙放电为 ±15000V，雷击和浪涌为 ±35V。
• ISO 规格：与 IEC 规格类似，在接触放电和气隙放电方面也有明确的等级要求。

  4.3 建议运行条件

  对于输入电压、输出电压、工作结温等参数都有建议的运行范围。例如，VPWR 输入电压建议在 2.7V 至 4.5V 之间，工作结温在 -40°C 至 125°C 之间。在设计电路时，我们应尽量让器件在这些建议条件下运行，以保证其性能的最优发挥。

  4.4 热性能信息

  器件的热性能指标包括结至环境热阻、结至外壳热阻等。了解这些热性能信息有助于我们在设计散热方案时做出合理的决策，确保器件在工作过程中不会因为过热而影响性能。

  4.5 电气特性

• CC OVP 开关：包括导通电阻、等效导通电容、无电电池下拉电阻器等参数。例如，CC OVP FET 的导通电阻在 CCx = 5.5V、TJ ≤ 85℃ 时，典型值为 272mΩ。
• SBU OVP 开关：同样有导通电阻、等效导通电容等参数。如 SBU OVP FET 的导通电阻在 SBUx = 3.6V、 - 40°≤ TJ ≤ +85℃ 时，典型值为 4Ω。
• 电源和漏电流：涉及 VPWR 欠压锁定、电源电流、各引脚的漏电流等参数。
• /FLT 引脚：低电平输出电压在 IOL = 3mA 时，最大值为 0.4V。
• 过热保护：上升过热保护关断阈值为 150℃ 至 175℃，下降过热保护关断阈值为 130℃ 至 140℃。

  4.6 时序要求

  包括上电和断电时序、过压保护响应时间和恢复时间等。例如，从 VPWR UVLO 电压上升到 CC 和 SBU OVP FET 导通所需的时间，典型值为 1.3ms。了解这些时序要求对于确保器件的正常工作顺序和响应速度至关重要。

5 详细说明

5.1 概述

TPD4S201-Q1 主要针对 USB Type-C 连接器的 CC1、CC2、SBU1 和 SBU2 引脚提供 28V VBUS 短路过压保护和 ESD 保护。由于 USB Type-C 连接器的引脚间距小以及存在不符合标准的配件，VBUS 引脚容易与其他引脚短路，该器件通过集成四通道保护功能，满足了 USB Type-C 端口在不同情况下的保护需求。

5.2 功能方框图

通过功能方框图，我们可以直观地了解器件内部各个模块之间的连接和工作关系，有助于我们深入理解器件的工作原理。

5.3 特性说明

• 4 通道 $V_{BUS}$ 短路过压保护：能够耐受 28V DC 的电压，可处理热插拔等情况下产生的振铃现象。SBU OVP FET 还可选择保护 DP、DM 引脚，适用于有防水需求的终端设备。
• 4 通道 IEC 61000 - 4 - 2 ESD 保护：为 USB Type-C 连接器的低速引脚提供 ESD 保护，集成的高压 ESD 二极管与过压保护 FET 协同工作，满足 IEC ESD 和 $V_{BUS}$ 短路保护要求。
• 可处理最高 600mA 电流的 CC1 和 CC2 过压保护 FET 支持 VCONN 电源电流通过：当 CC 引脚配置为 VCONN 时，该器件能处理相应的电流，为有源电缆提供符合规格的 VCONN 电压。
• 集成 CC 无电电池电阻器用于处理移动设备中的电池无电用例：在电池无电时，通过短接 RPD_G1 和 RPD_G2 引脚到 C_CCx 引脚，可使电源适配器为 VBUS 供电。当系统电源恢复时，器件会按一定顺序导通 OVP FET 并关断无电电池电阻器。

  5.4 器件功能模式

  器件有正常运行条件和故障条件等多种功能模式。例如，在未上电且不支持无电电池时，各引脚处于特定状态；在已上电且处于 SPR 模式时，CC FET 和 SBU FET 打开。了解这些功能模式有助于我们在不同的应用场景下正确使用器件。

6 应用和实施

6.1 应用信息

TPD4S201-Q1 为 USB Type-C 端口提供了全面的保护，确保系统的正常运行。在设计 USB Type-C 系统时，我们可以参考其典型应用示例，将其合理地集成到电路中。

6.2 典型应用

以 USB Type-C DRP 端口保护为例，在配备 USB PD 且充电功率为 100W 的系统中，TPD4S201-Q1 可满足 CC 和 SBU 引脚的 $V_{BUS}$ 短路保护要求。在设计过程中，需要考虑 VBIAS 电容器选型、CC 线路电容、FLT 引脚运行和电池无电运行等方面。

• VBIAS 电容器选型：建议使用额定电压为 50V 的 X7R 电容器，以确保在 VBUS 短路事件期间电容器不会损坏，同时提高降额性能。
• CC 线路电容：要将 CC 线路的电容保持在 200pF 至 600pF 之间，以满足 USB PD 的要求。
• FLT 引脚运行：当 C_CCx 或 C_SBUx 引脚上发生 VBUS 短路时，FLT 引脚会快速置为有效，通知 PD 控制器采取相应措施。
• 电池无电运行：根据应用需求，可选择将 RPD_G1 和 RPD_G2 引脚短接至地或 C_CCx 引脚。

  6.3 电源相关建议

  VPWR 引脚为器件内部电路供电，建议在其附近放置 1µF 去耦电容器。如果需要在电池无电模式下运行，要确保 TPD4S201-Q1 与 PD 控制器共用同一电源。

  6.4 布局

  合理的布局对于保持信号完整性至关重要。要将旁路电容器靠近 VPWR 引脚，ESD 保护电容器靠近 VBIAS 引脚，并连接到实心接地平面。USB2.0 和 SBU 线路应尽量走直线，减少弯曲。同时，要遵循标准 ESD 建议，将器件靠近连接器放置，受保护的布线应直线布置，使用大半径圆角。

TPD4S201-Q1 是一款功能强大的 USB Type-C 端口保护器件，它在过压保护、ESD 保护等方面表现出色。电子工程师在设计 USB Type-C 相关电路时，充分了解和合理应用该器件的特性和参数，能够有效提高系统的可靠性和稳定性。大家在实际应用中是否遇到过类似器件的使用问题呢？欢迎在评论区分享交流。