探索TPD2S300：USB Type - C端口的保护先锋

在当今的电子设备领域，USB Type - C接口因其强大的功能和广泛的应用而备受青睐。然而，随之而来的是CC引脚面临的各种挑战，如过压、静电放电等问题。德州仪器（TI）的TPD2S300作为一款单芯片USB Type - C端口保护解决方案，为这些问题提供了有效的应对策略。今天，我们就来深入了解一下TPD2S300的特性、应用及设计要点。

文件下载：tpd2s300.pdf

一、TPD2S300特性剖析

过压保护能力卓越

TPD2S300具备2通道$V{BUS}$短路过压保护（CC1、CC2），能够承受24V DC电压。在实际应用中，由于USB PD规范中$V{BUS}$电压可能出现波动，甚至非合规适配器可能会超出规范，而TPD2S300高达24V的耐受能力就为CC引脚提供了可靠的保护。例如，当$V_{BUS}$设置为20V运行时，电压在转换过程中可能达到21.5V，TPD2S300的高耐压设计就能应对这种情况。

ESD保护可靠

它集成了2通道IEC 61000 - 4 - 2 ESD保护（CC1、CC2），这对于保护USB Type - C端口免受终端用户产生的ESD冲击至关重要。在实际使用中，用户的操作可能会产生静电，而TPD2S300的ESD保护功能可以有效防止这些静电对设备造成损害。

低静态电流设计

TPD2S300的静态电流低至3.23µA（典型值，$PWR$、$V_{M} = 3.3V$），这种低功耗设计对于像智能手机这类对电池续航要求较高的设备来说非常关键。在追求高性能的同时，降低功耗可以有效延长设备的使用时间。

强大的电流承载能力

支持200mA电流的CC1、CC2过压保护FET，可传递$CONN$供电。当CC引脚配置为提供$V_{CONN}$电源时，能够满足相关的功率需求，为有源电缆等设备提供稳定的电源供应。

集成CC无电电池电阻器

这一特性可用于处理移动设备中的无电电池用例。在移动设备电池没电的情况下，USB Type - C电源适配器需要看到CC引脚上的$R{D}$下拉电阻才能开启$V{BUS}$供电，TPD2S300集成的该电阻器就能在这种情况下发挥作用，实现无电电池充电。

小巧封装

采用1.4mm × 1.4mm WCSP封装，大大减小了占用的电路板空间，对于空间有限的智能手机、平板电脑等设备来说是一个很大的优势。

二、应用案例分析

智能手机应用

在智能手机应用中，通常需要USB2.0支持和20V、2A充电。为了实现20V充电，需要使用USB PD。这里使用TUSB422来添加USB Type C和USB - PD物理层。由于可能会出现$V_{BUS}$短路到CC引脚的情况，且CC引脚需要IEC61000 - 4 - 2系统级ESD保护，同时考虑到智能手机的电路板空间有限，TPD2S300就成为了理想的选择。

在设计过程中，VBIAS电容需要选择至少35 - V DC额定电容，推荐使用50 - V X7R电容，以应对$V{BUS}$短路时可能出现的电压波动。在死电池操作方面，需要保证在手机没电时仍能以20V和2A的功率充电，这就要求USB PD控制器在死电池模式下能接收电源，TPD2S300的OVP FETs在未供电时保持关闭，以保护PD控制器，同时其集成的死电池电阻器能让电源适配器看到$R{D}$下拉电阻，从而开启$V{BUS}$供电。此外，CC线电容需要满足USB PD规范，TPD2S300和TUSB422的电容组合通常能满足要求。FLT引脚用于通知APU出现$V{BUS}$短路事件，建议APU监控该引脚，以便及时采取措施。

笔记本电脑应用

笔记本电脑应用中，需要USB3.0支持和20V、5A充电，使用TPS65987来添加USB - PD操作。同样存在$V_{BUS}$短路到CC引脚的风险，且CC引脚需要ESD保护，同时考虑到电路板空间，TPD2S300是合适的保护方案。

VBIAS电容的选择与智能手机应用相同。在死电池操作方面，要支持100W的死电池充电，需要保证USB PD控制器在死电池模式下能接收电源，TPD2S300的相关设计能满足这一需求。CC线电容方面，由于TPS65987和TPD2S300的电容组合可能无法满足要求，需要添加外部电容。FLT引脚的操作与智能手机应用类似。此外，在该应用中需要1 - W $V_{CONN}$，可将TPD2S300置于低电阻模式，将VM引脚连接到3S电池电压，以满足电流和电压要求。

电源适配器应用

电源适配器需要为设备提供20V、3A的电源，使用TPS25740来添加USB - PD操作。同样存在$V_{BUS}$短路到CC引脚的问题，且CC引脚需要ESD保护，TPD2S300能满足这些保护需求。

VBIAS电容选择与前面的应用相同。由于该应用是源模式，不需要死电池操作，但需要注意TPD2S300在未供电时会暴露其死电池电阻器，因此电源适配器的电源开关需要能够阻止5 - V $V_{BUS}$进入系统。CC线电容方面，需要添加外部电容来满足USB PD规范。FLT引脚操作与其他应用一致。

三、设计要点总结

电源供应

VPWR引脚为TPD2S300的所有电路提供电源，建议在该引脚附近放置1µF的去耦电容。如果需要在死电池条件下运行USB PD，TPD2S300需要与PD控制器共享相同的电源供应。VM引脚用于控制CC OVP FETs的电阻，如果只需要CC模拟和PD通信，可将该引脚短接到VPWR；如果需要使用$V_{CONN}$，则需要将VM连接到独立的9V - 22V电压源，并在该引脚附近放置1µF的去耦电容。

布局设计

合理的布局对于保持CC线信号的完整性至关重要。旁路电容应尽可能靠近$V{PWR}$和$V{M}$引脚，ESD保护电容应靠近$V_{BIAS}$引脚，且所有电容都应连接到坚实的接地。对于C_CC1和C_CC2引脚，应遵循标准的ESD建议，将设备尽可能靠近连接器放置，减少EMI耦合的可能性。同时，保护走线应尽量笔直，避免尖锐角落，以减少电场积聚和EMI耦合。

四、总结与展望

TPD2S300凭借其卓越的特性和广泛的应用场景，为USB Type - C端口提供了全面而可靠的保护。在实际设计中，我们需要根据不同的应用需求，合理选择电容、处理死电池操作、控制CC线电容以及监控FLT引脚等。随着USB Type - C技术的不断发展，相信TPD2S300将在更多的电子设备中发挥重要作用，为电子工程师们提供更加稳定、高效的设计解决方案。

各位电子工程师们，在你们的设计中是否也遇到过类似的USB Type - C端口保护问题呢？你们是如何解决的呢？欢迎在评论区分享你们的经验和见解。