不斷升級(jí)的USB-C接口

盤點(diǎn)一下我們身邊電子設(shè)備外殼上各式各樣的接口，你可能會(huì)發(fā)現(xiàn)，它們的種類和數(shù)量正在減少。但與此同時(shí)有一個(gè)接口上鏡的機(jī)會(huì)卻越來(lái)越多，這個(gè)接口就是USB Type-C（以下簡(jiǎn)稱USB-C）。

根據(jù)HIS的市場(chǎng)研究數(shù)據(jù)，2021年全球配備USB-C接口的設(shè)備出貨量接近50億部，在智能手機(jī)、平板和筆記本電腦等數(shù)以億計(jì)的消費(fèi)電子產(chǎn)品及其相關(guān)配套組件中，USB-C已經(jīng)成為標(biāo)配。

從2015年進(jìn)入商用，USB-C能夠以如此快的速度占領(lǐng)市場(chǎng)、一統(tǒng)江湖，并不是偶然的。要說(shuō)USB-C究竟好在哪？隨便找來(lái)一個(gè)非專業(yè)人士的普通消費(fèi)者也能擺出好幾條：外形小、支持正反插、可以雙向供電，數(shù)據(jù)視頻傳輸一肩挑……當(dāng)然其中尤為關(guān)鍵的肯定是下面這兩條：數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣雀?，電力傳輸?shù)男矢咝А?/p>

新標(biāo)準(zhǔn)帶來(lái)的新挑戰(zhàn)

在標(biāo)準(zhǔn)定義之初，USB-IF就是以一個(gè)”具有技術(shù)前瞻性的物理接口”這樣的定位來(lái)打造USB-C的。事實(shí)也表明，這些年USB在數(shù)據(jù)傳輸和電力傳輸方面標(biāo)準(zhǔn)的提升背后，USB-C提供的有力支撐功不可沒。

具體來(lái)講，經(jīng)過了多年的迭代，USB的數(shù)據(jù)傳輸標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)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(gòu)是不無(wú)關(guān)系的。

圖1：USB數(shù)據(jù)傳輸標(biāo)準(zhǔn)的升級(jí)之路

（圖源：Littelfuse）

從電力傳輸方面來(lái)看，USB-C應(yīng)用伊始，其支持高達(dá)100W（20V @ 5A）的USB PD協(xié)議就是一個(gè)關(guān)鍵的賣點(diǎn)。這一功能使得可以通過USB-C接口供電的設(shè)備范圍大大擴(kuò)展，而且也使得其成為被“能源焦慮癥”困擾的智能手機(jī)提升充電功率的堅(jiān)實(shí)支點(diǎn)。去年5月，USB-IF發(fā)布了新的USB PD 3.1標(biāo)準(zhǔn)，更是將USB-C支持的上限輸出功率從之前USB PD 3.0規(guī)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(zhǎng)達(dá)32倍！

而且USB-C中專門定義了用于PD協(xié)議傳輸?shù)腃C線路，負(fù)責(zé)在供電和受電設(shè)備之間協(xié)商電力協(xié)議，這就使得可編程電源PPS（Programmable Power Supply）的實(shí)現(xiàn)成為可能，也確保了基于USB-C的快充可以實(shí)現(xiàn)更高的能效。

可以說(shuō)，與其他的接口相比，USB-C物理接口標(biāo)準(zhǔn)與數(shù)據(jù)傳輸標(biāo)準(zhǔn)以及USB PC功率傳輸標(biāo)準(zhǔn)相互支撐，協(xié)同推進(jìn)，成就了其今天穩(wěn)固的江湖地位。

不過，所謂“能力越大，責(zé)任越大”，USB-C在數(shù)據(jù)和電力傳輸上能力的提升，也帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)，特別是來(lái)自可靠性與穩(wěn)定性方面的挑戰(zhàn)。這是因?yàn)椋@些標(biāo)準(zhǔn)在制訂時(shí)并未直接規(guī)定保護(hù)USB接口免受外部危害的具體方法，而在實(shí)際應(yīng)用中，由于USB-C外形更小，連接密度更大，在接口的電路保護(hù)方面面臨的壓力會(huì)更大，尤其是在靜電防護(hù)（ESD）和過熱保護(hù)兩方面，必須有針對(duì)性的方案確保USB-C接口的可靠性。

圖2：與傳統(tǒng)的4針腳USB-A連接器相比，USB-C連接器有24針，信號(hào)觸點(diǎn)間距僅為0.5mm

（圖源：Littelfuse）

構(gòu)筑全方位的ESD防護(hù)

我們先來(lái)看看ESD防護(hù)。USB-C連接器和電纜暴露于外部環(huán)境的電子電路中，難免會(huì)受到人的直接接觸或電弧等帶來(lái)的ESD沖擊，這種沖擊電壓可達(dá)30kV或更高，瞬間電流高達(dá)30A，這樣的高能量可以熔化硅和導(dǎo)線，導(dǎo)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(dǎo)致“軟”故障，包括邏輯器件的狀態(tài)變化、閂鎖或不可預(yù)知的行為，這就會(huì)影響數(shù)據(jù)傳輸速度，導(dǎo)致系統(tǒng)誤啟動(dòng)，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(duì)于USB-C接口這種存在ESD高風(fēng)險(xiǎn)的“界面”，必須嚴(yán)密設(shè)防。

不過，對(duì)于USB-C接口來(lái)說(shuō)，想要全面設(shè)防ESD并不簡(jiǎn)單，其面臨著一些前所未有的挑戰(zhàn)：

與僅有4引腳的USB-A連接器相比，USB-C接口的引腳數(shù)量達(dá)到了24條，而尺寸又被大大地壓縮了，因此保護(hù)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(hù)元件的應(yīng)用會(huì)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(shí)，這24個(gè)引腳（線路）的角色各不相同，對(duì)于ESD沖擊的防護(hù)要求也有很大的差別。比如對(duì)于電源傳輸線的ESD保護(hù)元件，額定電壓是一個(gè)很重要的指標(biāo)；而對(duì)于數(shù)據(jù)線，為了支持高速率的數(shù)據(jù)傳輸，對(duì)于ESD防護(hù)元件的低電容值會(huì)更為敏感，這是因?yàn)殡娙輹?huì)弱化傳輸?shù)男盘?hào)，電容容值越高對(duì)信號(hào)的衰減作用會(huì)越明顯，因此傳輸速率越高的數(shù)據(jù)接口，也就需要更低電容值的ESD抑制元件。

圖3：USB-C接口ESD防護(hù)解決方案

（圖源：Littelfuse）

圖3展示了一個(gè)典型USB-C接口的ESD防護(hù)解決方案，可以看到需要保護(hù)的線路包括USB 2.0、SuperSpeed、SBU、CC、Vbus五種，分別對(duì)應(yīng)圖中的II、III、IV、V四類情況。每一條線路的ESD防護(hù)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(duì)每個(gè)線路的ESD防護(hù)規(guī)格，進(jìn)行保護(hù)元件的選型，這無(wú)疑是一個(gè)費(fèi)時(shí)費(fèi)力的過程。為了解決工程師的這個(gè)煩惱，Littelfuse提供了一個(gè)完整的解決方案，為每個(gè)線路的ESD匹配了合適的保護(hù)元件。下面我們對(duì)這一方案做個(gè)細(xì)致地觀察。

USB 2.0線路

先來(lái)看對(duì)于USB 2.0線路的保護(hù)，這個(gè)引腳是USB-C為了兼容之前USB 2.0數(shù)據(jù)傳輸標(biāo)準(zhǔn)而專門保留的，支持480Mbps的傳輸速度，其ESD防護(hù)需要滿足IEC 61000-4-2標(biāo)準(zhǔn)要求的8kV水平，且需要具有較低的電容以滿足高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊蟆ittelfuse方案中，為此匹配的保護(hù)器件是SP3530單向TVS二極管，該器件可以安全地吸收高達(dá)22kV的ESD能量沖擊，接近IEC 61000-4-2要求的3倍，而且不會(huì)衰減；同時(shí)，0.3pF的低電容也可以盡可能地減少對(duì)信號(hào)轉(zhuǎn)換的干擾。0201的SMD封裝外形也足夠小巧，不會(huì)占用太大的PCB面積。

圖4：SP3530單向TVS二極管

（圖源：Littelfuse）

SuperSpeed線路

接下來(lái)我們來(lái)看看SuperSpeed線路，這幾個(gè)引腳是USB-C接口實(shí)現(xiàn)數(shù)十Gbps數(shù)據(jù)傳輸速率的關(guān)鍵，肯定需要一顆具有盡可能低電容的保護(hù)元件，以免影響超高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)男阅?。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(hào)傳輸提供出色的信號(hào)完整性，并提供12kV的ESD防護(hù)能力，安全地吸收重復(fù)性靜電放電沖擊，且性能不會(huì)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(shí)，由于采用緊湊的μDFN-2表面貼裝封裝，滿足小型化的設(shè)計(jì)要求也不在話下。

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(hào)傳輸通道，但是與USB 2.0和SuperSpeed線路相比，數(shù)據(jù)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(shí)現(xiàn)極佳的平衡。Littelfuse的SP1006單向TVS二極管陣列正好可以滿足這個(gè)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(fù)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。

圖6：SP1006單向TVS二極管陣列

（圖源：Littelfuse）

Vbus線路

與上面四條信號(hào)線路相比，Vbus電源線的ESD保護(hù)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(hào)線保護(hù)器件更高的功率水平。根據(jù)USB PD標(biāo)準(zhǔn)的要求，Vbus線路上可以傳輸電壓高達(dá)20V，而普通的ESD保護(hù)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(hù)應(yīng)用而設(shè)計(jì)的，其200W的功率容量對(duì)于保護(hù)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(guī)認(rèn)證。

圖7：SPHV和SPHV-C TVS二極管

（圖源：Littelfuse）

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

有了上述這些TVS二極管器件的全面守護(hù)，USB-C接口的ESD防護(hù)可以說(shuō)是高枕無(wú)憂了。

不同以往的過熱保護(hù)

隨著USB-C支持的功率水平不斷升級(jí)，另一個(gè)可靠性風(fēng)險(xiǎn)也會(huì)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(shè)備與外界的接口，更容易受到污垢和灰塵等雜質(zhì)的污染，從而導(dǎo)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(fēng)險(xiǎn)也就越大，這不僅可能會(huì)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(huì)熔化連接器，甚至引發(fā)火災(zāi)。

傳統(tǒng)的防止USB接口線纜過熱的方法，是在Vbus電源線上裝配一個(gè)PPTC可恢復(fù)式保險(xiǎn)絲或者一個(gè)小型斷路器，它們被內(nèi)置在連接器內(nèi)部的一個(gè)PCB線路板上去監(jiān)測(cè)可能帶來(lái)風(fēng)險(xiǎn)的溫升。

不過當(dāng)功率提升到100W以上時(shí)，這種方法的短板就顯現(xiàn)出來(lái)了。這主要是因?yàn)?，串?lián)在電源線上的這些保護(hù)元件具有內(nèi)阻，即使僅有幾毫歐的內(nèi)阻，在高功率的線路上也會(huì)造成顯著的功率損耗，這就讓設(shè)備制造商應(yīng)對(duì)越來(lái)越嚴(yán)苛的能耗標(biāo)準(zhǔn)的難度加大。

此外，使用PPTC可恢復(fù)式保險(xiǎn)絲或者小型斷路器，開發(fā)者在小型化設(shè)計(jì)上的挑戰(zhàn)也會(huì)更大。比如，一個(gè)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(huì)更大；而當(dāng)功率提升到100W以上時(shí)，這些保護(hù)元件的尺寸還會(huì)有顯著地增加。

因此，想要實(shí)現(xiàn)可靠的USB-C連接器過熱保護(hù)，必須有些新辦法。Littelfuse對(duì)此給出的解決方案就是獨(dú)特的setP?數(shù)字溫度指示器。

圖8：setP?溫度指示器

（圖源：Littelfuse）

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

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(hù)100W或更高功率的系統(tǒng)，也不會(huì)因?yàn)榇?lián)在電源線上的內(nèi)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(lái)功率更高的USB-C應(yīng)用中是非常合適的解決方案。

本文小結(jié)

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

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

針對(duì)這樣的需求，Littelfuse給出的解決方案不僅能夠覆蓋USB-C各個(gè)線路保護(hù)“個(gè)性化”的設(shè)計(jì)需求，還具有足夠的前瞻性和“提前量”，緊跟USB新標(biāo)準(zhǔn)的步伐。

圖10：Littelfuse USB-C保護(hù)解決方案推薦產(chǎn)品一覽

（圖源：Littelfuse）

因此，面對(duì)不斷升級(jí)的USB-C接口，如果你正在考慮對(duì)USB-C接口的保護(hù)方案來(lái)一次全面的升級(jí)，Littelfuse的這些解決方案應(yīng)該正合你的胃口。