汽车类 USB 2.0 接口保护器件 TPD3S713-Q1 和 TPD3S713A-Q1 深度解析

在汽车电子领域，USB 接口的应用越来越广泛，从 USB 集线器、音响主机到远程信息处理和媒体接口，无处不在。然而，这些接口面临着诸多挑战，如电池短路、短路、ESD 等问题，这就需要可靠的保护器件来保驾护航。今天，我们就来深入探讨一下 TPD3S713-Q1 和 TPD3S713A-Q1 这两款具有可调节限流和 $V_{BATT}$ 短接保护功能的汽车类 USB 2.0 接口保护器件。

文件下载：tpd3s713-q1.pdf

特性与优势

高可靠性标准

这两款器件符合面向汽车应用的 AEC - Q100 标准，器件温度等级 1 能适应 -40°C 至 +125°C 的环境工作温度范围，HBM ESD 分类等级 H2 和 CDM ESD 分类等级 C5，确保了在复杂汽车环境下的高可靠性。同时，符合 IEC 61000 - 4 - 2 和 ISO 10605 标准，在 DP_IN、DM_IN 和 VBUS 引脚上能承受 ±8kV 接触放电和 ±15kV 空气放电，有效抵御静电干扰。

全面的保护功能

• 电池短路保护：在 VBUS、DP_IN 和 DM_IN 引脚上，可处理高达 18V 的过压情况，能隔离内部系统电路，防止其受到过压影响，保护上游收发器免受有害电压和电流尖峰的侵害。
• 灵活的可调节限流：VBUS 引脚提供从 50mA 到 600mA 的可调节限流负载开关，根据端口的电流需求灵活调整，节省系统功率预算。
• 高速数据开关：集成的数据开关具有高达 1.2GHz 的带宽，能利用汽车 USB 环境中常见的长系留线缆实现干净的 USB 2.0 高速 480Mbps 眼图，最大限度地减少信号衰减。

规格参数详解

绝对最大额定值

明确了各引脚的电压、电流和温度等参数的极限值，如 CS、ILIM_SEL 等引脚电压范围为 -0.3V 至 7V，DM_OUT、DP_OUT 引脚电压范围为 -0.3V 至 5.7V 等。在设计时，必须严格遵守这些参数，避免器件损坏。

ESD 等级

提供了不同 ESD 测试模型下的具体数值，如人体模型（HBM）为 ±2000V，带电设备模型（CDM）为 ±750V 等，为评估器件在静电环境下的性能提供了依据。

推荐工作条件

规定了器件正常工作时的电压、电流和温度范围，如 V(IN) 为 4.5V 至 5.5V，I(BUS) 最大为 500mA 等。按照这些条件进行设计，能确保器件稳定运行。

电气特性

涵盖了输出功率开关、放电电阻、输入引脚逻辑阈值、电流限制、故障输出等多个方面的参数。例如，输出功率开关的导通电阻 rDS(on) 在 TJ = 25°C 时典型值为 73mΩ，为电路设计提供了精确的参考。

热信息

给出了器件的热阻参数，如 RθJA 为 37.9°C/W，RθJC(top) 为 39.9°C/W 等，有助于进行散热设计，保证器件在不同功率下的温度处于安全范围。

功能特性剖析

FAULT 响应

器件具有有源低电平、开漏故障输出，当出现过温、过流或过压等故障条件时，FAULT 引脚会拉低。不同的故障情况，器件会采取相应的保护措施，如关闭 USB 数据开关和内部电源开关等。

电缆补偿

当负载通过长或细的导线汲取电流时，会产生 IR 压降，影响电压传输。TPD3S713 - Q1 能检测负载电流，并通过比例吸收电流调整上游稳压器的输出电压，补偿充电路径中的 IR 压降。其设计过程需要准确计算电阻值，以确保补偿效果。

DP 和 DM 保护

提供 ESD 和过压保护（OVP）功能。DP_IN 和 DM_IN 引脚能承受 ±15kV 空气放电和 ±8kV 接触放电，同时在过压时能快速响应，保护上游 USB 收发器或集线器。

过流保护

当检测到过流情况时，器件会维持恒定的输出电流，并相应降低输出电压。在不同的过载条件下，器件会采取不同的响应策略，如立即切换到恒流输出或在电流限制电路响应后进入恒流模式。

电流 - 限制设置

具有两个独立的电流限制设置，通过 ILIM_HI 和 ILIM_LO 引脚外接电阻进行调整。根据不同的应用需求，选择合适的电流限制值，确保电路安全运行。

应用与实现

典型应用

在汽车 USB 充电端口中，TPD3S713x - Q1 能为上游的 DC - DC 转换器和汽车 SOC 或集线器芯片提供保护，防止过流、ESD 和电池短路等问题。

设计要求与步骤

• 输入电容：建议使用 0.1µF 或更大的陶瓷旁路电容进行本地噪声去耦，根据不同的应用场景和预期的瞬态条件，合理选择输入电容的大小和布局，以防止电压过冲和确保输入电压稳定。
• 输出电容：考虑输出短路、ESD 保护和电池短路等情况，推荐使用 10µF、35V、X7R、1210 低 ESR 陶瓷电容，以控制电压下冲和抑制振荡。
• BIAS 电容：使用 2.2µF、50V、X7R、0805 低 ESR 陶瓷电容，有助于提高 IEC ESD 性能。
• TVS 选择：在 BUS 和 BIAS 引脚附近放置合适的 TVS 器件，如 SMAJ18，确保在过压时能快速放电，保护器件安全。

布局指南

在 PCB 布局时，要遵循一系列最佳实践，如缩短功率走线长度、加宽走线宽度，合理选择电阻和电容的参数和布局，注意 ESD 保护、TVS 路径、高速数据线路由和热管理等方面，以确保器件性能和可靠性。

总结

TPD3S713 - Q1 和 TPD3S713A - Q1 作为汽车类 USB 2.0 接口保护器件，凭借其全面的保护功能、灵活的可调节限流和高带宽数据开关等特性，为汽车 USB 接口提供了可靠的解决方案。在实际应用中，我们需要深入理解其规格参数和功能特性，严格按照设计要求和布局指南进行设计，确保器件在复杂的汽车环境中稳定运行。你在使用这类保护器件时遇到过哪些问题？又是如何解决的呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。