USB Type-C連接器于五年前首次推出，當(dāng)時(shí)它已被廣泛用作便攜式消費(fèi)電子產(chǎn)品的首選連接器。這個(gè)單一的連接器為手機(jī)、平板電腦和其他便攜式設(shè)備提供數(shù)據(jù)、視頻和音頻接口。

USB Type-C 端口還提供電力輸送以操作系統(tǒng)、為電池充電或?yàn)檫B接的外圍設(shè)備供電。連接器插座具有可逆引腳配置，以消除對(duì)連接器極性的擔(dān)憂(yōu)。但是，便攜式產(chǎn)品上的外部端口會(huì)使設(shè)備面臨多種危險(xiǎn)、對(duì)地或相鄰連接器引腳短路、可能施加超出設(shè)計(jì)限制的電壓或信號(hào)電平以及靜電放電 (ESD)事件。

USB Type-C 連接器內(nèi)非常緊湊的引腳間距或觸點(diǎn)間距帶來(lái)了風(fēng)險(xiǎn)和挑戰(zhàn)。連接器內(nèi)的引腳間距為 0.5 毫米，因此很容易受到攻擊。如果插頭在插入插座時(shí)扭曲或在金屬異物接觸引腳的情況下，引腳之間可能會(huì)發(fā)生短路。任何帶有 USB 端口的便攜式產(chǎn)品的另一個(gè)設(shè)計(jì)問(wèn)題是無(wú)法控制最終用戶(hù)可以連接到該端口的第三方外圍設(shè)備。

此類(lèi)設(shè)備可能不符合 USB 或產(chǎn)品規(guī)格，從而損壞連接到端口的上游電路。以前，端口保護(hù)設(shè)備采用分立器件或單一用途的保護(hù)開(kāi)關(guān) IC 來(lái)保護(hù) VBUS 和數(shù)據(jù)線。這些解決方案成本高昂，并且需要產(chǎn)品內(nèi)部寶貴的印刷電路板空間。離散保護(hù)解決方案對(duì)于系統(tǒng)控制器硬件和設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的驗(yàn)證也是資源密集型的。為了緩解這個(gè)問(wèn)題，現(xiàn)在可以使用高度集成的端口保護(hù)設(shè)備來(lái)簡(jiǎn)化易用性、設(shè)計(jì)任務(wù)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的驗(yàn)證。一個(gè)例子是新的 KTU1125Kinetic Technologies , Inc. 像 KTU1125 這樣的器件可以增加所需的電路保護(hù)、減小組件占位面積并最終降低產(chǎn)品成本，同時(shí)提高產(chǎn)品可靠性。
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圖1：KTU1125功能框圖

USB Type-C 連接器的主要功能是將設(shè)備 VBUS 連接到外部電源以為系統(tǒng)供電并為內(nèi)部電池充電。在許多情況下，VBUS 起到雙重作用，為連接的外圍設(shè)備供電。VBUS 引腳可施加 5 V 至 20 V 之間的輸入電壓電平，電流電平范圍為 500 mA 至 5 A，達(dá)到高達(dá) 100 W 的功率電平。

根據(jù) USB 標(biāo)準(zhǔn)，施加到 VBUS 的初始電壓不應(yīng)超過(guò)5 V。KTU1125 及其類(lèi)似設(shè)備具有 6 V 的默認(rèn)過(guò)壓保護(hù) (OVP)，以防止出現(xiàn)故障電壓源。對(duì)于高級(jí)設(shè)計(jì)，OVP 關(guān)斷閾值可以通過(guò) I2C 總線編程控制動(dòng)態(tài)增加，以適應(yīng)更高的輸入端口功率功能。

這允許設(shè)備在啟動(dòng)時(shí)受到保護(hù)，還可以調(diào)整到任何給定的 OVP 級(jí)別，以支持設(shè)備運(yùn)行，以承受 USB 標(biāo)準(zhǔn)的指定限制。當(dāng)發(fā)生 OVP 事件時(shí)，典型的保護(hù)開(kāi)關(guān)將在 100 ns 內(nèi)關(guān)閉并斷開(kāi) VBUS 與系統(tǒng)的連接，以防止發(fā)生損壞。VBUS 保護(hù)開(kāi)關(guān)的另一個(gè)關(guān)注參數(shù)是最大浪涌或關(guān)斷電壓規(guī)范。

當(dāng)施加的輸入超過(guò) OVP 閾值時(shí)，開(kāi)關(guān)將關(guān)閉以保護(hù)系統(tǒng)。開(kāi)關(guān)必須能夠承受更高的電壓水平而不會(huì)損壞，以保護(hù)自身和系統(tǒng)。該參數(shù)被定義為浪涌電壓規(guī)格。像 KTU1125 這樣的良好保護(hù)開(kāi)關(guān)可以承受從 VBUS 到地施加高達(dá) 100 V 的電壓而不會(huì)損壞。在正常工作條件下，無(wú)論電流方向如何，VBUS 保護(hù)開(kāi)關(guān)都會(huì)監(jiān)控電流。如果電流超過(guò)預(yù)設(shè)水平，將觸發(fā)過(guò)流保護(hù) (OCP)。

如果發(fā)生接地短路，OCP 電路將斷開(kāi)開(kāi)關(guān)并在短路消除后恢復(fù)工作。KTU1125 還為設(shè)計(jì)人員提供了先進(jìn)的可編程過(guò)流限制功能，可將電流限制在預(yù)設(shè)水平，從而允許系統(tǒng)在受保護(hù)的條件下運(yùn)行。

在關(guān)閉狀態(tài)下，VBUS 保護(hù)開(kāi)關(guān)采用反向電流阻斷來(lái)防止外部連接的設(shè)備損壞系統(tǒng)或耗盡內(nèi)部電池。當(dāng)短路消除時(shí)，OCP 電路將斷開(kāi)開(kāi)關(guān)并恢復(fù)工作。KTU1125 還為設(shè)計(jì)人員提供了先進(jìn)的可編程過(guò)流限制功能，可將電流限制在預(yù)設(shè)水平，從而允許系統(tǒng)在受保護(hù)的條件下運(yùn)行。

在關(guān)閉狀態(tài)下，VBUS 保護(hù)開(kāi)關(guān)采用反向電流阻斷來(lái)防止外部連接的設(shè)備損壞系統(tǒng)或耗盡內(nèi)部電池。當(dāng)短路消除時(shí)，OCP 電路將斷開(kāi)開(kāi)關(guān)并恢復(fù)工作。KTU1125 還為設(shè)計(jì)人員提供了先進(jìn)的可編程過(guò)流限制功能，可將電流限制在預(yù)設(shè)水平，從而允許系統(tǒng)在受保護(hù)的條件下運(yùn)行。在關(guān)閉狀態(tài)下，VBUS 保護(hù)開(kāi)關(guān)采用反向電流阻斷來(lái)防止外部連接的設(shè)備損壞系統(tǒng)或耗盡內(nèi)部電池。

圖 2：帶有系統(tǒng)中斷故障標(biāo)志的典型 VBUS 過(guò)壓關(guān)斷響應(yīng)

USB Type-C 標(biāo)準(zhǔn)提供位于 VBUS 引腳附近的低速數(shù)據(jù)和控制輸入/輸出線。USB Type-C 連接器的布局具有鏡像引腳的優(yōu)勢(shì)，無(wú)論插頭方向如何都允許連接。但是，此功能意味著必須保護(hù)引腳免受外部不利條件以及直接短路到 VBUS 的可能性。參考圖 3，可以看到由于 0.5 毫米細(xì)的連接器間距，在靠近 VBUS 的配置控制 (CC) 和邊帶使用 (SBU) 引腳之間存在短路風(fēng)險(xiǎn)。插入 USB Type-C 插座的扭曲插頭或金屬異物可能會(huì)導(dǎo)致 VBUS 短路。

圖 3：USB Type-C 插座連接器

在正常情況下，施加到 VBUS 的電壓電平可高達(dá) 20 V，這很容易損壞上游 CC 和 SBU 數(shù)據(jù)線電路。但是，CC 和 SBU 引腳用于不同的功能，具有不同的保護(hù)要求。

顧名思義，CC 引腳用于功能 - 端口功能的控制和配置，可能包括電纜檢測(cè)、插頭方向、角色檢測(cè)或模式。在某些用途中，CC1 引腳可以切換為 VCONN 功能的電源。施加到 CC 引腳的典型信號(hào)電平最高可達(dá) 5 V；因此，這些引腳的 OVP 閾值通常設(shè)置為 6 V。因此，如果以大于 5 V 的電平與 VBUS 短路或當(dāng)施加的信號(hào)電平超過(guò)標(biāo)稱(chēng)的最大值 5 V 時(shí)，端口應(yīng)關(guān)閉并受到保護(hù)。

CC 引腳還應(yīng)在停機(jī)后承受高達(dá) 25 V 的浪涌電壓水平而不會(huì)損壞，以符合端口標(biāo)準(zhǔn) (IEC16000-4-5)。圖 4 顯示了 20V 熱插拔關(guān)斷保護(hù)事件。CC 或 SBU 開(kāi)關(guān)的輸入側(cè)上升到 20 V，而開(kāi)關(guān)斷開(kāi)到輸出側(cè)以保護(hù)系統(tǒng)。在系統(tǒng)為一個(gè) CC 引腳分配 VCONN 功能的作用下，它被設(shè)計(jì)為在 5 V 時(shí)提供高達(dá) 1.0 W 的功率。為了保護(hù)上游電池或電源，需要一個(gè)限流控制。KTU1125 通過(guò)用戶(hù)可選擇的 VCONN 限流選項(xiàng)提供此功能。

系統(tǒng)通常要求配電 (PD) 控制器監(jiān)控 CC 線路以捕獲電壓降事件，以實(shí)現(xiàn)從 VBUS 上的灌電流到拉電流的角色交換。

USB-PD 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定從灌電流切換到拉電流的時(shí)間為 150 μs。這是 PD 控制器檢測(cè)角色交換、將信息傳遞給系統(tǒng)并讓系統(tǒng)做出反應(yīng)以避免 VBUS 電源故障的時(shí)間。當(dāng)連接到端口的設(shè)備正在傳輸易失性數(shù)據(jù)并有丟失數(shù)據(jù)的風(fēng)險(xiǎn)時(shí)，這可能是一個(gè)問(wèn)題。為了減輕對(duì) PD 控制器的依賴(lài)和系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間的不確定性，以滿(mǎn)足 150-μs 的要求，KTU1125 具有自監(jiān)控 CC 線路以適應(yīng)快速角色交換 (FRS) 條件的獨(dú)特功能。

當(dāng)通過(guò) I2C 接口啟用 FRS 功能時(shí)，KTU1125 將監(jiān)控 CC1/CC2 線路的 VCCn ≤ 0.49 V for 30 μs ≤ time ≤ 50 μs 的情況。當(dāng)滿(mǎn)足 FRS 的 CC 線路條件時(shí)，KTU1125 將在 150 μs 內(nèi)將 VBUS 從電流吸收器切換到電流源，以減少 VBUS 電源中斷的機(jī)會(huì)。此外，IC 提供了一個(gè)硬件 FRS 標(biāo)志來(lái)提醒系統(tǒng)請(qǐng)求的功能更改。
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圖 4：CC 和 SBU 數(shù)據(jù)線 20V 熱插拔浪涌保護(hù)關(guān)斷響應(yīng)

SBU 輸入通常用于交替模式功能或 DisplayPort 高分辨率視頻功能。SBU 引腳的多用途特性需要從端口到系統(tǒng)的 2:1 MUX，以適應(yīng)上游系統(tǒng)的不同 DisplayPort 和交替模式功能。由于 SBU 保護(hù)開(kāi)關(guān)和 MUX 對(duì)高速數(shù)據(jù)的要求，它們需要低電容特性來(lái)實(shí)現(xiàn)通常在 1 GHz 范圍內(nèi)的高信號(hào)帶寬能力。圖 5 顯示 SBU 模擬開(kāi)關(guān)差分帶寬大于 1 GHz，以保持高速數(shù)據(jù)完整性。對(duì)于 KTU1125 等保護(hù) IC 的設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō)，這帶來(lái)了關(guān)鍵的設(shè)計(jì)折衷，因?yàn)楫a(chǎn)生高壓和靜電放電抗擾度的開(kāi)關(guān)特性對(duì)模擬開(kāi)關(guān)具有電容性和帶寬限制。

KTU1125 的設(shè)計(jì)和技術(shù)經(jīng)過(guò)平衡，既可實(shí)現(xiàn)高帶寬信號(hào)完整性的目標(biāo)，又可提供所需的高壓保護(hù)。SBU 引腳與 CC 引腳具有相同的 VBUS 和外部過(guò)壓事件風(fēng)險(xiǎn)，但需要較低的 OVP 閾值，因?yàn)闃?biāo)稱(chēng)預(yù)期信號(hào)電平不應(yīng)超過(guò) 3.6 V。為了滿(mǎn)足這一要求，KTU1125 提供了一個(gè)典型的 OVP 關(guān)斷閾值3.83 V 以保護(hù)上游系統(tǒng)。這些引腳上的關(guān)斷關(guān)態(tài)電壓保護(hù)額定值高達(dá) 24 V，因此如果在 20 V 時(shí)與 VBUS 短路，不會(huì)造成損壞。

SBU 引腳與 CC 引腳具有相同的 VBUS 和外部過(guò)壓事件風(fēng)險(xiǎn)，但需要較低的 OVP 閾值，因?yàn)闃?biāo)稱(chēng)預(yù)期信號(hào)電平不應(yīng)超過(guò) 3.6 V。為了滿(mǎn)足這一要求，KTU1125 提供了一個(gè)典型的 OVP 關(guān)斷閾值3.83 V 以保護(hù)上游系統(tǒng)。這些引腳上的關(guān)斷關(guān)態(tài)電壓保護(hù)額定值高達(dá) 24 V，因此如果在 20 V 時(shí)與 VBUS 短路，不會(huì)造成損壞。

SBU 引腳與 CC 引腳具有相同的 VBUS 和外部過(guò)壓事件風(fēng)險(xiǎn)，但需要較低的 OVP 閾值，因?yàn)闃?biāo)稱(chēng)預(yù)期信號(hào)電平不應(yīng)超過(guò) 3.6 V。為了滿(mǎn)足這一要求，KTU1125 提供了一個(gè)典型的 OVP 關(guān)斷閾值3.83 V 以保護(hù)上游系統(tǒng)。這些引腳上的關(guān)斷關(guān)態(tài)電壓保護(hù)額定值高達(dá) 24 V，因此如果在 20 V 時(shí)與 VBUS 短路，不會(huì)造成損壞。
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圖 5：KTU1125 SBU 引腳的典型差分帶寬響應(yīng)

無(wú)論產(chǎn)品設(shè)計(jì)得多么仔細(xì)或產(chǎn)品如何使用，USB Type-C 端口的所有引腳都可能受到 ESD 事件的影響。沒(méi)有辦法消除 ESD 事件對(duì)便攜式產(chǎn)品的端口的影響，因此任何端口保護(hù)開(kāi)關(guān)都必須防止 ESD 事件，以保護(hù)自身和系統(tǒng)。作為給定的最小值，所有開(kāi)關(guān) IC 引腳都應(yīng)承受 IEC61000-4-2 最高 ±8 kV 的接觸放電水平和最高 ±15 kV 的氣隙放電水平。

在 OVP 關(guān)閉或器件被禁用時(shí)，浪涌電壓水平應(yīng)遵循 IEC61000-4-5 標(biāo)準(zhǔn)，VBUS 開(kāi)關(guān)為 ±100 V，CC 開(kāi)關(guān)為 25 V。ESD 保護(hù)規(guī)范是產(chǎn)品可靠性不可忽視的重要限制。

為了完善用于 USB Type-C 端口應(yīng)用的保護(hù)開(kāi)關(guān)的多功能性，應(yīng)考慮默認(rèn)功能和可編程性。默認(rèn)配置下的 KTU1125 可用于對(duì) VBUS、CC 和 SBU 數(shù)據(jù)線進(jìn)行全面保護(hù)，無(wú)需 PD 控制器進(jìn)行設(shè)置控制，從而簡(jiǎn)化低成本設(shè)計(jì)。同時(shí)，像 KTU1125 這樣的設(shè)備可以通過(guò)集成的 I2C 接口提供完整的系統(tǒng)控制和靈活性，并且在允許電流在 VBUS 上流動(dòng)之前需要 I2C 控制。開(kāi)關(guān)狀態(tài)、OVP 閾值、電流限制水平和故障狀態(tài)都可以由系統(tǒng)動(dòng)態(tài)查詢(xún)和設(shè)置，因?yàn)闂l件或模式隨著連接到端口的外圍設(shè)備而變化。

對(duì)于便攜式電子產(chǎn)品制造商來(lái)說(shuō)，最終用戶(hù)對(duì)產(chǎn)品品牌和數(shù)量的感知直接受到他們所購(gòu)買(mǎi)設(shè)備的可靠性的影響。產(chǎn)品制造商無(wú)法控制可能連接到其設(shè)備上的 USB 端口的內(nèi)容。第三方和不合規(guī)的外部電源和外圍設(shè)備可能與他們的產(chǎn)品一起使用，這種風(fēng)險(xiǎn)只有通過(guò)使產(chǎn)品盡可能堅(jiān)固才能降低。便攜式產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員在功能和數(shù)據(jù)端口速度與產(chǎn)品質(zhì)量和可靠性之間取得平衡始終是一個(gè)持續(xù)的挑戰(zhàn)。

值得慶幸的是，IC 制造商正在加緊幫助減輕這一復(fù)雜任務(wù)。KTU1125 等設(shè)備和其他類(lèi)似設(shè)備提供了針對(duì)過(guò)壓、ESD 和過(guò)流事件的強(qiáng)大保護(hù)。


審核編輯：劉清