使用USB Type-C電纜快速充電的一大問題

Todd Phillips（Littelfuse公司 電子業務部）

摘要：符合USB-PD和USB Type-C規格的快速充電器和電纜可支持高達100 W的充電功率，因此，設計者需要考慮與電纜到設備連接處的電源和溫度管理相關的安全問題。緊湊型的PolySwitch setP數字溫度指示器是為保護USB-C電纜免受過溫狀況影響而開發的最新器件之一。

關鍵詞：USB Type-C；USB-PD；充電      

引言

　　電纜到設備的連接可能會積聚污染物，導致它們快速升溫，從而容易損壞或毀壞電纜和移動設備。解決方法：更好的電路設計和溫度監控。

　　盡管智能手機和其他移動設備的無線充電越來越普及，但充電線不太可能很快完全消失。這是因為有線充電為某些用戶提供了超越無線充電的顯著優勢——主要是有線充電提供了更快的充電速度。

　　USB開發者論壇（USB-IF）開發的USB供電（USB-PD）和USB Type-C連接器以及電纜組件規范是最新一代有線充電解決方案的核心。USB供電規范通過單根電纜提供更靈活的電力傳輸和數據，實現了USB的最大功能。

　　符合USB-PD和USB Type-C規格的快速充電器和電纜可支持高達100 W的充電功率。根據所涉及的設備，這意味著他們可以比無線充電器更快地為手機或其他設備充電。帶有足夠長電纜的有線充電器還允許用戶在充電時與他們的設備保持互動，這對于經常使用手機的人來說是一個主要優勢。

　　盡管這些優點對用戶很重要，但對于設計人員來說，考慮與電纜到設備連接處的電源和溫度管理相關 的安全問題同樣重要。如果沒有適當的電路設計（包括溫度監測），電纜和連接器可能會在連接內部積聚污染物，導致它們快速升溫，從而容易損壞或損壞電纜和移動設備。

1  USB Type-C有線充電的基礎知識

　　在任何充電系統中，三個獨立的產品必須一起工作——正在充電的設備、電纜和充電器。USB Type-C（或USB-C）電纜具有一個或多個對稱（因此可逆）24針連接器。USB-C充電器的一端有一個AC插頭（用于插入墻上插座），另一端是帶有USB-C連接器的電纜（用于插入要充電的設備）或用于插入在USB-C電纜中的USB-C輸出端口。

　　從安全角度來看，USB-C電纜必須能夠承載適當的電壓和電流。對于帶有外加電纜或固定電纜的充電器，電纜必須能夠承載充電器的最大輸出電壓。帶有USB-C插頭的電纜必須能夠承載21 V電壓和至少3 A的電流。帶有特殊電子標記IC的電纜可承載5 A的電流。放置在電源路徑中的任何器件，尤其是保護器件，也必須能夠承受這些電壓和電流。

2  USB-C充電損壞的根源

      USB-C連接器的引腳間距為0.5 mm——比USB Type-A連接器中的2.5 mm引腳間距更緊密。這種更緊湊的間距顯著增加了可能導致發熱的故障風險。當連接器針腳變形或變臟，金屬顆粒、頭發或其它碎屑卡在USB-C電纜連接器中時，可能會產生電源線到地的阻抗故障。即使僅增加很小的電流時，這些阻抗故障仍可能導致危險的溫升。損壞電纜和設備，甚至引起火災的情況已經被報道（圖1）。

　　   保護USB電纜免于過熱的傳統方法包括在V_BUS電源線上放置聚合物正溫度系數器件（PPTC）或微型斷路器（也稱為熱斷路器）。所選擇的器件將被放置 在連接器內部的印刷電路板上，以感測由阻抗故障引起的溫度升高。

　　然而，當試圖保護高達100 W時，使用這種方法可能會對設計工程師造成挑戰。在電源線路中添加保護裝置的一個缺點是：其電阻，即使只是毫歐姆的電阻，也會造成有效功率損失，使制造商更難滿足強制性的效率要求。

　　USB-C連接器的封閉性也會使其很難安裝保護裝置。適用于保護60 W充電器的PPTC通常使用1210（3.2 mm×2.5 mm）的封裝，而小型斷路器通常更大。用來保護100 W的PPTC和微型斷路器需要更大的封裝。此外，微型斷路器的機械結構相對較弱，電纜組裝過程有可能使其所用的雙金屬片材料變形，這將阻止它們對熱故障提供保護。

3  新位置的新保護裝置

　　解決這些缺點的一種方法是將一款不同類型的 保護器件放置在USB-C連接器的數據線（CC）上， 而不是V_BUS線上。緊湊型（2.0 mm×1.2 mm）的PolySwitch setP數字溫度指示器（圖2）是為保護 USB-C電纜免受過溫狀況影響而開發的最新器件之一。setP器件感應到溫度升高，然后“告警”使系統關閉電源。

　　因為電壓高于規范中規定的值，充電系統認為電纜已經脫離，因此充電系統通過V_BUS線關閉電源。這可以避免連接器，電纜和設備充電過熱。一旦用戶斷開電纜并從連接器中清除碎屑，電纜就可以恢復正常操作。

　　憑借緊湊的0805（2.0 mm×1.2 mm）封裝，setP器件比過去在此應用中的大多數其它解決方案至少小30％。它們剛性的物理結構還使它們能夠可靠地承受現代電纜組裝和成型操作。它們非常適合用于USB-C充電線，USB供電充電和帶有USB Type-C充電線的充電器。

4  結論

        USB-C電纜為用戶提供了一種快速，簡單的方式來為移動設備充電和傳輸數據。現在，隨著溫度指示 新解決方案的開發，他們可以保證該過程也將更加安全。

作者簡介：

        Todd Phillips，全球市場經理，于2006年加入Littelfuse，現在的業務重點是數據中心和云設施、LED照 明以及移動和可穿戴市場的垂直細分市場活動。

（注：本文來源于科技期刊《電子產品世界》2019年第8期第33頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處。）