USB-C 和 USB-C 供電提高了電壓和功率水平。與USB Micro-B相比，引腳間距更緊密的新型可逆連接器增加了短路的風(fēng)險(xiǎn)。再加上便攜式設(shè)備日益復(fù)雜，導(dǎo)致ESD、浪涌和過(guò)壓保護(hù)要求越來(lái)越高。在此設(shè)計(jì)解決方案中，我們提出了一種緊湊、功能齊全的保護(hù)IC，可以顯著降低BOM和PCB空間占用。

介紹

新的 USB Type-C （USB-C） 電纜和連接器規(guī)范極大地簡(jiǎn)化了數(shù)碼相機(jī)和超薄平板電腦等電子產(chǎn)品的互連和供電方式（圖 1）。該規(guī)范支持高達(dá) 15W 的 USB-C 充電應(yīng)用，USB-C 供電 （PD） 可將充電功率擴(kuò)展到 100W，包括可互換充電的各種不同設(shè)備。USB Type-C在保護(hù)系統(tǒng)方面帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)。新連接器的間距比USB Micro-B的間距小，這導(dǎo)致VBUS機(jī)械短路的風(fēng)險(xiǎn)增加。此外，由于與USB PD相關(guān)的高電壓，需要更強(qiáng)大的保護(hù)。最后，電子負(fù)載的復(fù)雜性不斷增加，需要增強(qiáng)ESD和電壓浪涌保護(hù)。該設(shè)計(jì)解決方案回顧了USB Type-C PD架構(gòu)以及與D+/D-數(shù)據(jù)信號(hào)保護(hù)相關(guān)的挑戰(zhàn)。然后，它提出了一個(gè)高度集成的2 x SPDT開(kāi)關(guān)，可以以最小的BOM和PCB占用來(lái)應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)。

USB-C PD 系統(tǒng)

圖 2顯示了一個(gè)典型的便攜式電源管理設(shè)備前端，該設(shè)備配備連接到 USB-C 電纜并由鋰離子 （Li+） 電池供電。

當(dāng) VBUS 存在時(shí)，它會(huì)為充電器、系統(tǒng)和其余模塊供電。在此階段，電池充電。當(dāng) VBUS 斷開(kāi)連接時(shí)，電池將為系統(tǒng)供電。使用 USB-C 電纜，CC1 和 CC2 引腳確定端口連接、電纜方向、角色檢測(cè)和端口控制。D+/D-線(xiàn)路是標(biāo)準(zhǔn)的USB-C通信線(xiàn)路，以480Mbps的速度處理數(shù)據(jù)，并受D+/D-保護(hù)設(shè)備保護(hù)。PD 控制器實(shí)現(xiàn)供電協(xié)議。

圖2.USB PD 電源管理系統(tǒng)。

保護(hù)挑戰(zhàn)

電源中的電涌和靜電放電 （ESD） 很常見(jiàn)，可能會(huì)干擾或損壞電子負(fù)載和設(shè)備。ESD是由靜電電荷從身體轉(zhuǎn)移到電子電路引起的，是手持電子設(shè)備的一大問(wèn)題。浪涌可能是由雷電引起的，也可能是在雷擊附近鋪設(shè)的長(zhǎng)電纜中引起的。開(kāi)關(guān)或繼電器在開(kāi)和關(guān)操作期間可能會(huì)導(dǎo)致浪涌。負(fù)載突降是通過(guò)切斷汽車(chē)上的電池連接而產(chǎn)生的浪涌。一個(gè)好的數(shù)據(jù)線(xiàn)保護(hù)IC應(yīng)該提供足夠的保護(hù)，而不會(huì)顯著降低數(shù)據(jù)。

集成解決方案

例如，MAX20334是一款具有過(guò)壓保護(hù)功能的2 x SPDT開(kāi)關(guān)，適用于便攜式設(shè)備（圖3）。該 IC 設(shè)計(jì)用于保護(hù)下游數(shù)據(jù)線(xiàn)免受高壓短路、ESD 或浪涌事件的影響。該器件結(jié)合了便攜式電子產(chǎn)品中高性能開(kāi)關(guān)應(yīng)用所需的低導(dǎo)通電容和低導(dǎo)通電阻。該 IC 具有內(nèi)部正過(guò)壓和浪涌保護(hù)功能。該器件可處理 USB 低速/全速/高速信號(hào)傳輸，采用 2.7V 至 5.5V 電源供電。該 IC 采用 12 焊球 （1.23mm x 1.63mm） 晶圓級(jí)封裝 （WLP），工作溫度范圍為 -40°C 至 +85°C。

圖3.2 x SPDT 開(kāi)關(guān)，帶擴(kuò)展保護(hù)。

擴(kuò)展保護(hù)

所有引腳均采用ESD保護(hù)結(jié)構(gòu)，以防止在處理和組裝過(guò)程中遇到高達(dá)±2kV（人體模型）的靜電放電。COMA和COMB（圖2和3）進(jìn)一步防止高達(dá)±15kV（人體模型），±15kV（IEC 61000-4-2中描述的氣隙放電方法）和±8kV（IEC61000-4-2中描述的接觸放電方法）的ESD，而不會(huì)損壞。ESD 結(jié)構(gòu)可承受高 ESD，無(wú)論是在正常工作時(shí)還是在器件斷電時(shí)。ESD事件發(fā)生后，IC繼續(xù)工作，無(wú)需閂鎖。該IC具有-30V至+45V浪涌保護(hù)（IEC61000-4-5）和高達(dá)+20.5V的過(guò)壓保護(hù)。

圖4將這種高度集成的擴(kuò)展保護(hù)解決方案的PCB布局與提供僅正電涌保護(hù)以及較低OV和ESD保護(hù)的典型競(jìng)爭(zhēng)器件進(jìn)行了比較。后者將需要額外的電路來(lái)滿(mǎn)足ESD/浪涌/OV規(guī)范，從而導(dǎo)致更昂貴的BOM和5倍的PCB有效占用。

圖4.擴(kuò)展保護(hù)優(yōu)勢(shì)。

數(shù)據(jù)完整性

圖5中的眼圖一目了然地顯示了數(shù)據(jù)信號(hào)的良好完整性水平，因?yàn)閺澢乃{(lán)線(xiàn)與禁止的紅色區(qū)域保持接近最大距離。保護(hù)IC的高帶寬導(dǎo)致信號(hào)上升和下降時(shí)間和抖動(dòng)的減速最小，從而產(chǎn)生良好的誤差余量，這對(duì)于通過(guò)USB一致性測(cè)試非常重要。

圖5.D+/D-眼圖。

結(jié)論

USB Type-C在互連，電源和保護(hù)我們的電子產(chǎn)品（如數(shù)碼相機(jī)和超薄平板電腦）方面帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)。新連接器的間距比USB Micro-B小，導(dǎo)致VBUS機(jī)械短路的風(fēng)險(xiǎn)增加。此外，由于與USB PD相關(guān)的高電壓，需要更強(qiáng)大的保護(hù)。最后，電子負(fù)載的復(fù)雜性不斷增加，需要增強(qiáng)ESD和電壓浪涌保護(hù)。在該設(shè)計(jì)解決方案中，我們展示了具有高達(dá)±15kV ESD保護(hù)、-30V至+45V浪涌保護(hù)和+20.5V過(guò)壓保護(hù)的增強(qiáng)型保護(hù)器件可以單手保護(hù)數(shù)據(jù)線(xiàn)，并且與集成度較低的器件相比，滿(mǎn)足ESD/浪涌/OV規(guī)范，具有更低的BOM和更小的PCB有效面積占用。

審核編輯：郭婷