TPD1S414：USB充电过压、浪涌和ESD保护的理想之选

在电子设备的设计中，USB接口的保护至关重要。今天，我们就来深入了解一款专门为USB接口保护设计的芯片——TPD1S414。

文件下载：tpd1s414.pdf

一、产品概述

TPD1S414是一款单芯片解决方案，专为USB连接器的$V_{BUS}$线提供保护。它能够提供过压保护、浪涌保护和ESD保护，确保USB接口在各种复杂环境下稳定可靠地工作。该芯片采用了节省空间的DSBGA封装（1.4 mm × 1.89 mm），非常适合应用于对空间要求较高的设备中。

二、产品特性

1. 过压保护

在$V{BUS_CON}$引脚，TPD1S414能够提供高达30V的过压保护。当$V{BUS_CON}$电压超过过压保护阈值$V{OVP}$时，内部的nFET开关会迅速关闭，切断系统侧的电源，保护内部电路不受损坏。过压保护的响应速度非常快，nFET开关能够在小于100ns的时间内关闭。当$V{BUS_CON}$电压恢复到$V{OVP}-V{HYS_OVP}$以下时，经过内部延迟$t_{OVP_RECOV}$后，nFET开关会再次开启，确保系统稳定运行。

2. 低$R_{ON}$ nFET开关

TPD1S414采用了低$R{ON}$的nFET开关，其总导通电阻$R{ON}$典型值为39mΩ，最大值为50mΩ。在最大3.5A的充电电流水平下，电压降小于140mV。这种低$R_{ON}$的设计有助于在充电和主机模式下为系统提供最大的电位，提高系统的效率和性能。

3. 内部延迟和软启动

芯片具有内部15ms的启动延迟和30ms的软启动延迟，能够有效减少USB浪涌电流，满足USB规范的要求。软启动功能可以使nFET开关缓慢开启，避免在启动过程中产生过大的电流冲击，保护系统的稳定性。

4. 瞬态保护

TPD1S414为$V_{BUS}$线提供了强大的瞬态保护。它能够承受IEC 61000 - 4 - 2标准的±15kV接触放电和±15kV空气间隙放电，以及IEC 61000 - 4 - 5标准的100V开路电压浪涌。通过内部的ESD钳位和浪涌钳位电路，将瞬态电流引导到地，保护内部电路不受损坏。

5. 集成输入使能和状态输出信号

芯片集成了输入使能信号EN和状态输出信号ACK。通过驱动EN引脚为低电平，可以使能开关；驱动EN引脚为高电平，则可以禁用开关。ACK引脚为开漏输出，用于指示设备是否发生故障。当发生过压、热关断等故障时，ACK引脚会变为高阻态，方便系统进行故障检测和处理。

6. 热关断功能

TPD1S414具备热关断（TSD）功能，当芯片的结温超过绝对最大额定值时，热关断电路会自动关闭设备，直到结温冷却到安全水平。在热关断状态下，ACK引脚会被设置为高阻态，提示系统发生过热故障。

三、应用领域

TPD1S414广泛应用于各种需要USB接口保护的设备中，包括但不限于：

1. 终端设备

• 手机
• 平板电脑
• 可穿戴设备
• 电子销售点（EPOS）设备

2. 接口类型

• USB 2.0
• USB 3.0
• USB Type C

四、技术规格

1. 绝对最大额定值

• 来自USB连接器的电源电压$V_{BUS_CON}$：-0.3V至30V
• PCB上的内部电源直流电压$V_{BUS_SYS}$：-0.5V至7V
• EN引脚电压：-0.5V至7V
• ACK引脚电压：-0.5V至7V
• 输出负载电容$C{LOAD}$（$V{BUS_SYS}$引脚）：0.1µF至50µF
• 输入电容$C{IN}$（$V{BUS_CON}$引脚）：0.1µF至50µF
• 工作自由空气温度$T_A$：-40°C至85°C
• 存储温度$T_{stg}$：-40°C至150°C

2. ESD额定值

• 人体模型（HBM）：±2000V
• 带电设备模型（CDM）：±1000V
• IEC 61000 - 4 - 2接触放电：±15kV
• IEC 61000 - 4 - 2空气间隙放电：±15kV
• IEC 61000 - 4 - 5峰值脉冲电流（$tp$ = 8/20µs，$V{BUS_CON}$引脚）：21A
• IEC 61000 - 4 - 5峰值脉冲功率（$tp$ = 8/20µs，$V{BUS_CON}$引脚）：700W
• IEC 61000 - 4 - 5开路电压（$tp$ = 1.2/50µs，$V{BUS_CON}$引脚）：100V

3. 推荐工作条件

• 来自USB连接器的电源电压$V_{BUS_CON}$：3.5V至5.9V
• PCB上的内部电源直流电压$V_{BUS_SYS}$：3.5V至5.9V
• 输出负载电容$C{LOAD}$（$V{BUS_SYS}$引脚）：1µF
• 输入电容$C{IN}$（$V{BUS_CON}$引脚）：1µF
• 上拉电阻$R_{PULLUP}$（ACK引脚）：4.3kΩ至100kΩ
• $V{BUS_CON}$和$V{BUS_SYS}$引脚的连续电流$I_{VBUS}$：最大3.5A
• 通过FET体二极管的连续电流$I_{DIODE}$：最大1A

五、应用与实现

1. 典型应用配置

TPD1S414的典型应用配置包括外部组件，如电容和电阻，以确保设备的正常运行。在典型应用中，需要注意以下设计要求：

• USB信号在$V{BUS_CON}$和$V{BUS_SYS}$上的范围为4.4V至5.5V。
• 通过$V_{BUS}$的工作电流为3A。
• $V{BUS_CON}$的典型电容为1µF，$V{BUS_SYS}$的典型电容为2.2µF。
• 驱动EN引脚为低电平（使能）时，电压范围为0V至0.8V；驱动EN引脚为高电平（禁用）时，电压范围为1.2V至6V。

2. 详细设计步骤

USB $V_{BUS}$电压范围

USB设备的$V_{BUS}$电压范围通常在4.4V至5.5V之间（传统USB最大为5.25V，新的USB Type C标准将最大值提高到5.5V）。TPD1S414的设计工作电压范围为3.5V至5.9V，能够满足USB设备的电压要求，无需特殊的电压预防措施。

USB $V_{BUS}$工作电流

随着新的USB Type C标准的引入，$V{BUS}$的工作电流可以在0.5A至3A之间变化。TPD1S414能够支持最大3.5A的电流，并且其低$R{ON}$的设计使得在3A电流下具有良好的热性能和低电压降。

$V{BUS_CON}$和$V{BUS_SYS}$电容

USB标准要求$V{BUS}$上的最小电容为1µF，最大电容为10µF。在设计中，通常在$V{BUS_CON}$上使用1µF的电容，在$V_{BUS_SYS}$上可以根据需要增加电容。外部电容应尽可能靠近相应的引脚放置，以确保最佳的性能。

IEC 61000 - 4 - 5 100V开路浪涌保护

USB端口的$V_{BUS}$线容易受到开关和雷击瞬变的影响。TPD1S414具有精密的触发和钳位电路，能够在抑制高达100V的浪涌电压的同时，确保30V的直流耐受性，保护系统免受浪涌的损害。

六、电源供应建议

TPD1S414设计为从USB $V{BUS}$轨获取电源，其正常工作（nFET开启）的电压范围为3.5V至5.9V，超过了USB设备$V{BUS}$的电压范围（4.4V至5.5V）。在PCB上，应在$V_{BUS_CON}$引脚附近尽可能靠近地放置一个最小电容为1µF的电容，以满足系统电压范围、系统温度范围和电容变化的要求。

七、布局建议

1. 布局指南

TPD1S414可以在单层PCB上进行布线。$V{BUS_SYS}$、$V{BUS_CON}$和GND的PCB走线可以按照特定的方式进行布线，将所有$V{BUS_SYS}$引脚、$V{BUS_CON}$引脚和GND引脚分别短接在一起，有助于降低USB连接器和PMIC之间的电阻。在本设计中，到$V{BUS_SYS}$和$V{BUS_CON}$的走线宽度为25mil（0.635mm），SMD焊盘内不需要过孔，GND的缝合过孔可以放置在组件附近。

2. 布局示例

文档中提供了TPD1S414的布局示例，展示了如何在PCB上进行合理的布线和组件放置，以确保设备的性能和稳定性。

八、总结

TPD1S414是一款功能强大、性能可靠的USB充电过压、浪涌和ESD保护芯片。它具有多种保护功能、低$R_{ON}$开关、内部延迟和软启动等特性，能够为USB接口提供全面的保护。在应用设计中，需要根据其技术规格和布局建议进行合理的设计，以确保设备的正常运行。各位电子工程师在设计USB接口保护电路时，不妨考虑一下TPD1S414，相信它会给你的设计带来意想不到的效果。你在实际应用中是否遇到过类似的USB接口保护问题呢？又是如何解决的呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。