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摘要： USB-C 和 USB-C 供電提高了電壓和功率水平。一種新的可逆連接器，其引腳間距比 USB micro-B 更緊密，增加了短路的風險。這與便攜式設備的日益復雜性相結合，導致了更高的 ESD、浪涌和過壓保護要求。在此設計解決方案中，我們提出了一款緊湊、功能齊全的保護 IC，可顯著降低 BOM 并減少 PCB 空間占用。
介紹
新的 USB Type-C ? (USB-C) 電纜和連接器規范極大地簡化了我們互連和為數碼相機和超薄平板電腦等電子產品供電的方式（圖 1）。該規范支持高達 15W 的 USB-C 充電應用，并且將充電功率擴展至 100W 的 USB-C 供電 (PD) 包括可互換充電的各種不同設備。USB Type-C 為保護系統帶來了新的挑戰。新連接器的間距小于 USB Micro-B 的間距，這會增加 VBUS 機械短路的風險。此外，由于與 USB PD 相關的高電壓，需要更強大的保護。最后，電子負載的日益復雜性要求加強對 ESD 和電壓浪涌的保護。該設計解決方案回顧了 USB Type-C PD 架構以及與 D+/D- 數據信號保護相關的挑戰。
圖 1. 通過 USB-C 電纜連接到平板電腦的數碼相機
USB-C PD系統
圖 2展示了一個典型的便攜式電源管理設備前端，該設備可連接到 USB-C 電纜并由鋰離子 (Li+) 電池供電。
當 VBUS 存在時，它為充電器、系統和其余模塊供電。在這個階段，電池被充電。當 VBUS 斷開時，電池為系統供電。對于 USB-C 電纜，CC1 和 CC2 引腳決定端口連接、電纜方向、角色檢測和端口控制。D+/D- 線是標準的 USB-C 通信線，以 480Mbps 的速度處理數據，并受到 D+/D- 保護裝置的保護。PD 控制器實現供電協議。
圖 2. USB PD 電源管理系統
保護挑戰
電源中的電涌和靜電放電 (ESD) 很常見，可能會干擾或導致電子負載和設備損壞。ESD 是由靜電荷從身體轉移到電子電路引起的，是手持電子設備的一個大問題。浪涌可能是由閃電引起的，也可能是在靠近雷擊的地方鋪設的長電纜中引起的。開關或繼電器會在開啟和關閉操作期間引起浪涌。負載突降是通過切斷汽車上的電池連接而產生的浪涌。一個好的數據線保護 IC 應該提供足夠的保護而不會顯著降低數據質量。
綜合解決方案
例如，MAX20334是一款 2 x SPDT 開關，具有過壓保護功能，適用于便攜式設備（圖 3）。該 IC 旨在保護下游數據線免受高壓短路、ESD 或浪涌事件的影響。該器件結合了便攜式電子設備中高性能開關應用所需的低導通電容和低導通電阻。該 IC 具有內部正過壓和浪涌保護功能。該器件可處理 USB 低/全/高速信號，并采用 2.7V 至 5.5V 電源供電。該 IC 采用 12 凸塊 (1.23mm x 1.63mm) 晶圓級封裝 (WLP)，可在 -40°C 至 +85°C 擴展溫度范圍內工作。
圖 3. 具有擴展保護的 2 個 SPDT 開關
擴展保護
ESD 保護結構集成在所有引腳上，以防止在處理和組裝過程中遇到高達 ±2kV（人體模型）的靜電放電。COMA 和 COMB（圖 2 和圖 3）進一步受到高達 ±15kV（人體模型）、±15kV（IEC 61000-4-2 中描述的氣隙放電方法）和 ±8kV（接觸放電方法中描述的接觸放電方法）的 ESD 保護IEC61000-4-2) 無損壞。ESD 結構可承受高 ESD，無論是在正常操作中還是在設備斷電時。在 ESD 事件之后，IC 繼續工作而不會發生閂鎖。該 IC 具有 -30V 至 +45V (IEC61000-4-5) 的浪涌保護和高達 +20.5V 的過壓保護。
圖 4將這種高度集成的擴展保護解決方案的 PCB 布局與提供純正電涌保護和較低 OV 和 ESD 保護的典型競爭對手器件進行了比較。后者將需要額外的電路來滿足 ESD/浪涌/OV 規范，從而導致更昂貴的 BOM 和 5 倍更大的 PCB 有效面積占用。
圖 4. 擴展保護優勢
數據的完整性
圖 5中的眼圖一目了然地顯示了數據信號的良好完整性水平，因為彎曲的藍線與禁止的紅色區域保持接近最大的距離。保護 IC 的高帶寬使信號上升和下降時間和抖動的減慢最小，從而產生良好的誤差容限，這對于通過 USB 一致性測試很重要。
圖 5. D+/D- 眼圖
結論
USB Type-C 為我們的電子產品（如數碼相機和超薄平板電腦）的互連、供電和保護帶來了新的挑戰。新連接器的間距小于 USB Micro-B 的間距，導致 VBUS 機械短路的風險增加。此外，由于與 USB PD 相關的高電壓，需要更強大的保護。最后，電子負載的日益復雜性要求加強對 ESD 和電壓浪涌的保護。在本設計方案中，我們展示了具有高達 ±15kV ESD 保護、-30V 至 +45V 浪涌保護和 +20.5V 過壓保護的增強型保護器件可以單獨保護數據線，與集成度較低的器件相比，滿足 ESD/具有較低 BOM 和較小 PCB 有效面積占用的浪涌/OV 規格。
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