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    不斷升級的USB-C接口

    作者:時間:2022-05-19來源:貿澤電子收藏

    盤點一下我們身邊電子設備外殼上各式各樣的接口,你可能會發現,它們的種類和數量正在減少。但與此同時有一個接口上鏡的機會卻越來越多,這個接口就是 Type-C(以下簡稱-C)。

    本文引用地址:http://www.rethinkthailand.com/article/202205/434239.htm


    根據HIS的市場研究數據,2021年全球配備-C接口的設備出貨量接近50億部,在智能手機、平板和筆記本電腦等數以億計的消費電子產品及其相關配套組件中,USB-C已經成為標配。


    從2015年進入商用,USB-C能夠以如此快的速度占領市場、一統江湖,并不是偶然的。要說USB-C究竟好在哪?隨便找來一個非專業人士的普通消費者也能擺出好幾條:外形小、支持正反插、可以雙向供電,數據視頻傳輸一肩挑……當然其中尤為關鍵的肯定是下面這兩條:數據傳輸的速度更快,電力傳輸的效率更高效。


    新標準帶來的新挑戰


    在標準定義之初,USB-IF就是以一個”具有技術前瞻性的物理接口”這樣的定位來打造USB-C的。事實也表明,這些年USB在數據傳輸和電力傳輸方面標準的提升背后,USB-C提供的有力支撐功不可沒。


    具體來講,經過了多年的迭代,USB的數據傳輸標準已經從USB 1.0的1.5Mbps、USB 2.0的480Mbps,提升到了USB 4.0的40Gbps。能夠有這樣的底氣和迭代速度,與USB-C提供的雙通道(x2)架構是不無關系的。


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    圖1:USB數據傳輸標準的升級之路

    (圖源:Littelfuse)


    從電力傳輸方面來看,USB-C應用伊始,其支持高達100W(20V @ 5A)的USB PD協議就是一個關鍵的賣點。這一功能使得可以通過USB-C接口供電的設備范圍大大擴展,而且也使得其成為被“能源焦慮癥”困擾的智能手機提升充電功率的堅實支點。去年5月,USB-IF發布了新的USB PD 3.1標準,更是將USB-C支持的上限輸出功率從之前USB PD 3.0規定的100W,提升到了240W(48V @ 5A)!如果與2010年推出的7.5W的USB BC1.2比較,在十年間USB的電力傳輸能力增長達32倍!


    而且USB-C中專門定義了用于PD協議傳輸的CC線路,負責在供電和受電設備之間協商電力協議,這就使得可編程電源PPS(Programmable Power Supply)的實現成為可能,也確保了基于USB-C的快充可以實現更高的能效。


    可以說,與其他的接口相比,USB-C物理接口標準與數據傳輸標準以及USB PC功率傳輸標準相互支撐,協同推進,成就了其今天穩固的江湖地位。


    不過,所謂“能力越大,責任越大”,USB-C在數據和電力傳輸上能力的提升,也帶來了新的挑戰,特別是來自可靠性與穩定性方面的挑戰。這是因為,這些標準在制訂時并未直接規定保護USB接口免受外部危害的具體方法,而在實際應用中,由于USB-C外形更小,連接密度更大,在接口的電路保護方面面臨的壓力會更大,尤其是在靜電防護(ESD)和過熱保護兩方面,必須有針對性的方案確保USB-C接口的可靠性。


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    圖2:與傳統的4針腳USB-A連接器相比,USB-C連接器有24針,信號觸點間距僅為0.5mm

    (圖源:Littelfuse)


    構筑全方位的ESD防護


    我們先來看看ESD防護。USB-C連接器和電纜暴露于外部環境的電子電路中,難免會受到人的直接接觸或電弧等帶來的ESD沖擊,這種沖擊電壓可達30kV或更高,瞬間電流高達30A,這樣的高能量可以熔化硅和導線,導致元件完全失效。即使沒有造成這種“硬”傷害,ESD引起的電流也可能導致“軟”故障,包括邏輯器件的狀態變化、閂鎖或不可預知的行為,這就會影響數據傳輸速度,導致系統誤啟動,或者造成一些潛在的缺陷,影響元器件的可靠性或者減少其使用壽命。因此,對于USB-C接口這種存在ESD高風險的“界面”,必須嚴密設防。


    不過,對于USB-C接口來說,想要全面設防ESD并不簡單,其面臨著一些前所未有的挑戰:


    與僅有4引腳的USB-A連接器相比,USB-C接口的引腳數量達到了24條,而尺寸又被大大地壓縮了,因此保護元件必須擁有更緊湊的外形。在這樣的情況下,占板面積較大的分立保護元件的應用會受到限制,具有更高封裝密度的方案(如TVS二極管陣列)就成了更理想的選擇。


    與此同時,這24個引腳(線路)的角色各不相同,對于ESD沖擊的防護要求也有很大的差別。比如對于電源傳輸線的ESD保護元件,額定電壓是一個很重要的指標;而對于數據線,為了支持高速率的數據傳輸,對于ESD防護元件的低電容值會更為敏感,這是因為電容會弱化傳輸的信號,電容容值越高對信號的衰減作用會越明顯,因此傳輸速率越高的數據接口,也就需要更低電容值的ESD抑制元件。


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    圖3:USB-C接口ESD防護解決方案

    (圖源:Littelfuse)


    圖3展示了一個典型USB-C接口的ESD防護解決方案,可以看到需要保護的線路包括USB 2.0、SuperSpeed、SBU、CC、Vbus五種,分別對應圖中的II、III、IV、V四類情況。每一條線路的ESD防護要求都不同,而我們的解決方案卻要盡可能做得面面俱到。


    如果我們分別針對每個線路的ESD防護規格,進行保護元件的選型,這無疑是一個費時費力的過程。為了解決工程師的這個煩惱,Littelfuse提供了一個完整的解決方案,為每個線路的ESD匹配了合適的保護元件。下面我們對這一方案做個細致地觀察。


    USB 2.0線路


    先來看對于USB 2.0線路的保護,這個引腳是USB-C為了兼容之前USB 2.0數據傳輸標準而專門保留的,支持480Mbps的傳輸速度,其ESD防護需要滿足IEC 61000-4-2標準要求的8kV水平,且需要具有較低的電容以滿足高速數據傳輸的要求。Littelfuse方案中,為此匹配的保護器件是SP3530單向TVS二極管,該器件可以安全地吸收高達22kV的ESD能量沖擊,接近IEC 61000-4-2要求的3倍,而且不會衰減;同時,0.3pF的低電容也可以盡可能地減少對信號轉換的干擾。0201的SMD封裝外形也足夠小巧,不會占用太大的PCB面積。


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    圖4:SP3530單向TVS二極管

    (圖源:Littelfuse)


    SuperSpeed線路


    接下來我們來看看SuperSpeed線路,這幾個引腳是USB-C接口實現數十Gbps數據傳輸速率的關鍵,肯定需要一顆具有盡可能低電容的保護元件,以免影響超高速數據傳輸的性能。因此,Littelfuse的電容僅為0.09pF的SP3213雙向TVS二極管陣列成為了理想選擇,它可以為超高速信號傳輸提供出色的信號完整性,并提供12kV的ESD防護能力,安全地吸收重復性靜電放電沖擊,且性能不會下降,還可以安全地耗散2A的8/20μs浪涌電流(IEC 61000-4-5第2版)。同時,由于采用緊湊的μDFN-2表面貼裝封裝,滿足小型化的設計要求也不在話下。


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    圖5:SP3213雙向TVS二極管陣列

    (圖源:Littelfuse)


    SBU和CC線路


    我們要考慮的第三種情況是供邊帶使用(SBU)和配置通道(CC)的線路,它們雖然也是信號傳輸通道,但是與USB 2.0和SuperSpeed線路相比,數據傳輸速率比較低,因此可以選擇電容較高的TVS器件,以便在性能和成本上實現極佳的平衡。Littelfuse的SP1006單向TVS二極管陣列正好可以滿足這個要求,其同樣采用0201尺寸μDFN-2封裝,可以安全吸收30kV的可重復性ESD接觸放電,并安全地耗散5A的8/20μS浪涌電流,鉗位電壓很低。


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    圖6:SP1006單向TVS二極管陣列

    (圖源:Littelfuse)


    Vbus線路


    與上面四條信號線路相比,Vbus電源線的ESD保護要求有些不同,在這里使用的TVS二極管需要能夠承受比信號線保護器件更高的功率水平。根據USB PD標準的要求,Vbus線路上可以傳輸電壓高達20V,而普通的ESD保護器件通常只能承受5V、6V或者12V的電壓。Littelfuse的SPHV系列TVS二極管就是專為20V功率線路的保護應用而設計的,其200W的功率容量對于保護100W的Vbus線路顯然是游刃有余。SPHV系列TVS二極管同樣采用表面貼裝封裝,可承受30kV的ESD沖擊,并通過了AEC-Q101車規認證。


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    圖7:SPHV和SPHV-C TVS二極管

    (圖源:Littelfuse)


    前文曾經提到,新的USB PD 3.1標準將支持的上限功率擴展到了240W,相應地線路上的上限電壓也提升到了42V。面對這一新變化,ESD器件的耐壓能力當然也要升級。為此,Littelfuse的SMBJ TVS二極管可堪重用,它具有高達600W的峰值額定功率,可以吸收高達30kV的ESD沖擊,表面貼裝的封裝也確保了其足夠“纖細”的外形。


    有了上述這些TVS二極管器件的全面守護,USB-C接口的ESD防護可以說是高枕無憂了。


    不同以往的過熱保護


    隨著USB-C支持的功率水平不斷升級,另一個可靠性風險也會增加,這就是連接器插頭和插座的過溫(過熱)。


    USB-C連接器互連密度高(引腳間距僅有0.5mm),作為電子設備與外界的接口,更容易受到污垢和灰塵等雜質的污染,從而導致電源與接地之間的電阻性故障。Vbus線路上承載的功率越高,USB連接器的過熱風險也就越大,這不僅可能會損壞連接器、電纜和連接端口中的元器件,過高的溫度還可能會熔化連接器,甚至引發火災。


    傳統的防止USB接口線纜過熱的方法,是在Vbus電源線上裝配一個PPTC可恢復式保險絲或者一個小型斷路器,它們被內置在連接器內部的一個PCB線路板上去監測可能帶來風險的溫升。


    不過當功率提升到100W以上時,這種方法的短板就顯現出來了。這主要是因為,串聯在電源線上的這些保護元件具有內阻,即使僅有幾毫歐的內阻,在高功率的線路上也會造成顯著的功率損耗,這就讓設備制造商應對越來越嚴苛的能耗標準的難度加大。


    此外,使用PPTC可恢復式保險絲或者小型斷路器,開發者在小型化設計上的挑戰也會更大。比如,一個60W充電器所需的PPTC,其占板面積為就有3.2mm × 2.5mm,小型斷路器的外形會更大;而當功率提升到100W以上時,這些保護元件的尺寸還會有顯著地增加。


    因此,想要實現可靠的USB-C連接器過熱保護,必須有些新辦法。Littelfuse對此給出的解決方案就是獨特的setP?數字溫度指示器。


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    圖8:setP?溫度指示器

    (圖源:Littelfuse)


    與將保護元件串聯在Vbus電源線上的老辦法不同,setP?溫度指示器是串聯在CC控制線路上的(如圖3中的I所示)。當該元件檢測到100°C以上的溫度時,其電阻會大幅增加,這時USB PD協議將高電阻解釋為源連接、Vbus和接收器連接、負載之間的斷開連接,會將Vbus線路停用,由此阻止過熱情況的加劇。當導致過熱的條件得到糾正,setP?檢測到的溫度降至100°C以下時,其阻值會重置為10Ω左右的低阻狀態,這時Vbus會重新通電。


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    圖9:setP?溫度指示器的電阻-溫度曲線

    (圖源:Littelfuse)


    很顯然,這種方案既可以保護100W或更高功率的系統,也不會因為串聯在電源線上的內阻造成功率損耗,可謂是一石二鳥。加之setP?溫度指示器采用2.0mm x 1.2mm的緊湊尺寸,SMD的封裝與回流焊工藝兼容,因此其在未來功率更高的USB-C應用中是非常合適的解決方案。


    本文小結


    功能上兼收并蓄,性能上不斷升級——憑借這兩招兒,USB-C已經成為今天市場上炙手可熱的外設接口,沒有之一。


    而伴隨著USB-C接口技術的不斷迭代升級,與之相配套的電路保護技術也必須同步跟進,這樣才能以過硬的可靠性和安全性,為終端用戶提供一個性能不打折扣的接口連接解決方案,而不是一個徒有USB-C其表的“樣子貨”。


    針對這樣的需求,Littelfuse給出的解決方案不僅能夠覆蓋USB-C各個線路保護“個性化”的設計需求,還具有足夠的前瞻性和“提前量”,緊跟USB新標準的步伐。


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    圖10:Littelfuse USB-C保護解決方案推薦產品一覽

    (圖源:Littelfuse)


    因此,面對不斷升級的USB-C接口,如果你正在考慮對USB-C接口的保護方案來一次全面的升級,Littelfuse的這些解決方案應該正合你的胃口。




    關鍵詞: USB

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