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一文解析USB Type-C接口全方位保護方案

ADAYO華陽集團 ? 來源:豪威集團 ? 作者:豪威集團 ? 2021-08-12 11:52 ? 次閱讀

USB Type-C 接口因其小型化,可正反插,支持高功率、高速數據傳輸等特點在消費類產品上得到越來越廣泛的應用。

Type-C 有著強大的兼容性,除了保留 D+/D- 引腳支持 USB 2.0 數據傳輸外,還在規范定義上兼容其他協議標準的信號傳輸,例如對 DP 信號傳輸的支持。因此成為能夠廣泛連接智能手機、 PC、游戲主機、存儲設備和擴展塢等絕大部分電子設備的標準化接口,實現數據傳輸和設備充電的統一。

現行主流 USB Power Delivery 3.0 最高可支持 20V/5A 的電力輸出,即 100W 的充電功率( 2021 年 5 月發布的 PD 3.1 進一步支持高達 48V/5A 的電力規格)。USB Type-C 接口除了可以進行基于 PD 規范的大功率充電外,還可以實現 DisplayPort 1.4 視頻傳輸、Thunderbolt 4 等功能。因此,具有全功能 Type-C 接口的設備可以實現通過單一接口進行雙向充電、視頻輸出等功能。

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圖1 USB Type-C 接口引腳分布

USB Type-C 連接器外形小巧,在 8.3 x 2.5mm 的空間內實現了 24 個連接器引腳,具有很高的引腳密度,結構設計上還需要滿足上萬次的插拔應用。

相比早期版本的其他 USB 接口,Type-C 的 VBUS 引腳更容易由于異物或異常插拔與相鄰引腳發生短路。由于 VBUS 的電壓典型可能高達 20V ,與低壓引腳之間(如CC、SBU、Tx/Rx 等)發生短接會造成嚴重后果。其次,Type-C 應用的電源路徑需要具有大電流通流能力,對潛在的負載短路、過電流等危險做出有效防護。此外,作為電子設備的外接接口,ESD 和浪涌的侵害必須從系統層面加以重視,熱插拔等原因造成的過電壓也必須加以考慮。

總之,USB Type-C 功能強大,但在產品開發中,系統層面的魯棒性設計也面臨著諸多挑戰。

USB Type-C 接口全方位保護方案

豪威集團旗下韋爾半導體針對 USB Type-C 應用推出了全面的解決方案。在確保不犧牲高功率、高速數據傳輸性能的前提下,為接口提供安全、可靠的防護,幫助設備制造商有效降低產品返修率,提升產品品質。

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圖2 筆記本電腦 USB Type-C 接口功能框圖

保護方案由三顆器件組成(對應 圖2 橙色部分),分別為 WS4684C-15/TR ,WS4683C-16/TR 和 WS3233Q-20/TR 。

01、WS4684C-USB 功率開關

為了抑制可能的高壓浪涌,為充電接口提供可靠的保護,高性能的 OVP Load Switch 必不可少。WS4684C-15/TR ,支持 USB PD 的 20V/5A 規格,可實現筆記本電腦的快速、高功率充電。其 VBUS 等引腳可以持續耐受 29V 的直流電壓。并且內部集成浪涌抑制電路,抑制能力高達 90V ??蓪P記本電腦等消費類電子產品的充電接口的功率通路起到高效防護,大大降低供電意外或消費者誤操作對電子產品帶來的損害。

主要應用:

USB Type-C VBUS 充電保護

特點及優勢:

2.5~20V 輸入電壓范圍,最大電流 5A ,滿足 USB PD 3.0 最高功率要求

編程過壓保護,快速響應的反向電流保護,過溫保護

小型化,1.65 x 2.67mm , CSP-15L 封裝

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圖3 WS4684C 典型應用

02、WS4683C-USB 限流負載開關

筆記本電腦的 Type-C 接口通常需工作在 DRP 模式。出于對系統充放電的安全考慮,基于 UL62368/CB62368 的安規要求,VBUS 通路需要具備輸出過流保護功能。

WS4683C-16/TR 輸出支持 5V (器件 VBUS 側管腳直流耐壓高達 30V),最大 3.3A 的持續電流。在保證芯片可靠性的前提下,支持 USB PD 3.0 要求的 FRS 快開啟功能。內部還集成了靜電泄放通路( IEC61000-4-2 Contact ±8KV ),減少了周邊額外的保護器件,為制造商節省成本及 PCB 面積。

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圖4 電流保護快速響應

主要應用:

USB Type-C VBUS 放電保護

特點及優勢:

400mA~3.3A 可編程過流保護

快速響應的反向電流保護

支持 USB PD 3.0 協議要求的 FRS 功能

小型化,2.05 x 2.05mm , CSP-16L 封裝

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圖5 WS4683C 典型應用

03、WS3233Q-USB Type-C保護開關

如前所述,由于 USB Type-C 接口的功率和信號引腳最小間距僅有 0.5mm ,用戶實際使用中因異物等原因,VBUS 會有和周邊引腳短接的風險,為低壓信號引腳及相關電路帶來隱患。

韋爾半導體推出的過壓保護開關,WS3233Q-20/TR 信號通路具備高達 800MHz 的 -3dB 帶寬,在不影響高速信號完整性的情況下,實現 24V 的過壓保護能力。在一顆芯片上,高壓和高速性能不再互相妥協。此外,WS3233Q 內部還集成了 D+D- 通道的 ESD 泄放通路,達到 IEC61000-4-2 Contact ±8KV 標準。單顆芯片在不影響高速數據傳輸的基礎上,提供過壓保護和靜電防護的集成解決方案。

應用:

USB Type-C CC/SBU 保護

特點及優勢:

OVP Short-to-VBUS:24V

帶寬 800MHz -3dB ,實現高耐壓的同時,具有高帶寬

低靜態電流,70uA

QFN3*3-20L 通用封裝

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圖6 WS3233Q典型應用

WS4684C-15/TR、WS4683C-16/TR 和 WS3233Q-20/TR 的組合實現了對過壓、過流、過溫、浪涌、ESD 等各種常見干擾異常的保護和抑制,是業界最完善的 USB Type-C 接口保護方案之一。

三片保護方案也同時帶來了系統設計的最大靈活性,可以針對設備接口功能定義類型全部或部分使用,以節省成本。

編輯:hfy

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原文標題:如何全方位保護你的 USB Type-C 接口

文章出處:【微信號:foryou-adayo,微信公眾號:ADAYO華陽集團】歡迎添加關注!文章轉載請注明出處。

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