Littelfuse保护USB Type-C连接器免受静电放电和过热影响的新组件与设计
本文介绍LITTELFUSE旗下可保护USB Type-C连接器免受静电放电和过热影响的组件。
今天的消费者已经很快地对采用 USB-C 或 USB-Type C 通信接口标准的移动设备变得依赖——从智能手机和平板电脑到可穿戴设备和笔记本电脑。因此，设计针对静电放电 (ESD) 和过热条件的强大保护从未像现在这样重要。
为了处理更高的数据传输速率和更高的功率传输，USB Type-C 电缆和连接器标准已更新至2.12版本，USB-PD（功率传输）标准已更新至3.1版本。 图 1 显示了可以实现增强型 USB 功能集的 Type-C 连接器。PD 版本允许通过 USB 接口对设备进行充电和供电。 最大功率容量从 2.5 W (5 V @0.5A) 增加至100 W (20 V @ 5A)，目前已到 240 W (48 V @ 5A) 的功率范围。 更高的功率容量将为 USB-C 开启新的供电和充电应用，例如游戏笔记本电脑、扩展底座、4K 显示器和电脑一体机。
图 1：USB Type-A和Type-C连接器。与Type-A连接器的4针相比，Type-C连接器有24针。Type-C连接器信号触点间距为0.5mm
对产品可靠性的挑战
本文将介绍消除静电放电和过热条件导致故障可能性的方法。 这些技术对于确保产品更可靠、更强大至关重要。
保护 USB 端口免受静电放电影响
通过电缆和连接器暴露于外部环境的电子电路（例如 USB 端口）是静电放电（ESD）的潜在目标。ESD 冲击可以通过人的直接接触或通过空气发生（如果能量源对电子电路产生电弧）。ESD 冲击可高达 30 kV 或更高，上升时间快，并且可以熔化硅和导线，电流高达 30 A。ESD 具有如此大的能量，可能导致元件完全失效。
产品需要具有强大的防静电能力，以获得高可靠性。它们还必须符合IEC 61000-4-2等国际标准，才能在世界上所有地区进行销售。图2显示了IEC 61000-4-2规定的静电放电模拟测试波形，产品必须能够通过CE认证。
图 2：IEC 61000-4-2 中规定的 ESD 测试波形
有多种产品可用于保护通信端口免受 ESD 损坏。 图 3 显示了推荐的保护元件可以用于具有高达 100 W 的供电能力和高达 240 W 的扩展供电范围的USB 接口线路。推荐的元件是瞬态电压抑制器 (TVS) 二极管。 表 2 描述了元件技术及其各自的特性和优势。
图 3：USB 接口框图显示了推荐的ESD 保护元件（参见表 2)
表 2：推荐的 USB 保护技术
对于 USB 2.0 线路，请考虑使用 SP3530 单向 TVS 二极管或同等产品。 这种 TVS 二极管可以安全地吸收 22kV ESD 冲击，几乎是 IEC 61000-4-2 要求的 8kV 水平的 3 倍，而且不会衰减。
对于边带使用 (SBU) 和配置通道 (CC) 线路，请考虑 SP1006 单向 TVS 二极管。该元件可以在 µDFN-2 封装中安全地吸收 30 kV ESD 冲击。SP1006 是一款非常可靠的 TVS 二极管，符合 AEC-Q101 标准，适用于 USB 通信的汽车应用。
Vbus 线路要求 TVS 二极管能够承受比信号线保护器件更高的功率水平。SPHV 系列 200 W TVS 二极管可保护容量为 100 W 的Vbus线路。SPHV 二极管可承受 30 kV 的 ESD 冲击，并通过 AEC-Q101 认证，采用表面贴装封装。 对于扩展功率范围接口，一个示例解决方案是 SMBJ 二极管。 它具有比 SPHV 二极管更高的 600 W 峰值额定功率，并且可以吸收高达 30 kV 的 ESD 冲击。
防止USB Type-C插头和插座过热
USB Type-C连接器密度高，更容易受到污垢和灰尘的污染，从而导致电源与接地之间的电阻性故障。再加上Vbus线路上的较高功率，USB 连接器存在更大的过热风险，这可能会损坏连接器、电缆和连接的端口电子设备。温度升高可能会熔化连接器，或者在最糟糕的情况下引发火灾。
防止过热的解决方案是数字温度指示器，其设计符合 USB Type-C 电缆和连接器规范。 当温度指示器检测到 100° C 或更高的温度时，其电阻会增加至少五 (5) 个十倍数。 本文中引用的示例元件技术是 Littelfuse 独特的setP数字温度指示器。 其特性曲线如图4所示。
图4：以Littelfuse SETP为例的温度指示器的电阻-温度曲线
如图 3 所示，温度指示器放置在配置通道线中。它没有放置在 Vbus 线路中，因此它不会降低任何电压或功率，也不会降低 Vbus 线路上的供电容量。 如果组件检测到温度达到 100°C，则其电阻会大幅增加。USB 协议将高电阻解释为源连接、Vbus和接收器连接、负载之间的开路连接，并且 Vbus 线路被停用。
当导致过热的条件得到纠正并且传感器的温度降至 100°C 阈值以下时，其电阻重置为 10 Ω 左右的低温值，并且 Vbus 重新通电。 为获得最佳结果，温度指示器应内置在 USB 插头和/或插座中，以便监测故障源处的连接器温度。
与必须在 Vbus 线路中的正温度系数设备或小型断路器不同，数字温度指示器不会消耗功率并降低功率输送能力。
图 5: 显示了温度指示器如何在过热故障期间保持安全的连接器表面温度。
当温度指示器（A Littelfuse setP）用于过热保护时，连接器表面温度的较低上升比较。
总结
如果没有适当的保护，USB Type-C连接器中的ESD或碎屑可能会导致用户日常依赖的贵重消费电子产品出现现场故障。 电子工程师可以通过使用 TVS二极管保护USB线路免受ESD干扰， 使用数字温度指示器以防止连接器过热，从而保护他们的最新设计。
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型号- PXXX0SAMC,LS2406ERQ23,1812L,LVR,SPHV,30KPA-HR,456SE,456SD,15KPA,345 SERIES,ITV9550 30A,AQ24CANFD,SDP,AC,RUEF110S,LS2406ERQ33,PXXX2AC,MICROSMDCH,562 SERIES,AQ1003-01ETG,SDPXXX0T023G5,150603,800,801,802,804,806,807,BA,808,BB,PGB2,PGB1,P4SMA,TSM600,PTF070,MICROASMD,SC1103C-01UTG,PTF078,PTF077,LS0504EVT233,PTF075,AQXXC-01LTG,810,811,356 SERIES,5KP,813,FB65,814,FB66,CA,CG,CH,PTF080,286677,PICOASMDCH,PXXX2AX,MINIASMDC,SMF4L,121004,B61089BDR,282008,121001,282007,820,121003,AK10-Y,821,121002,282002,823,824,282001,FB55,DA,828,DB,FB58,NANOASMDCH,820-20,830,831,834,835,TP5KP,101001,3453,3452,605,606,RKEF,607,PXXX2ACMC,LS12052BD33,AGRF,PTF0080M,B61089QDR,RUEF135V,850,851,852,3455,853,AHEF100,60R,617,618,GTCX36-XXXM-R05,PXXX0Q12X,860,862,HA,HB34,GTCX36-XXXM-R10,2920L,SP8008,AQ4337-01ETG,155 SERIES,P6SMB,803-01 SERIES,SLD,810 SERIES,870,PTF015,874,875,876,342 SERIES,877,5.0SMDJXXS-HRA,348 SERIES,30KPA,SM7,SM24CANB,SMCG-HR,TSV250,FC09B1606NL-0,SMD,SMF,TPSMB-VR,881,35408 SERIES,OMN002,400,OMN004,885,35406 SERIES,881 SERIES,OMN006,646,405,647,V20H275AUTO,407,649,RXEF,101010,52100001009,AQ24CANA,AQHVXX-01LTG,656,101002,PXXXXDF,658,101003,5KPA-HR,824-20 SERIES,5.0SMDJ,570 SERIES,AQ3530-01FTG,B-SERIES,662,663,422,664,665,LA,SMBLCE-HR,L-SERIES,AQHVXX-01LTG-C,PTF050,SC1105-01UTG,PTF055,G-SERIES,435,437,438,A-SERIES,870 SERIES,PTF065,440,RGEF,437A,441,SP1103C,443,202,203,254 121,445,446,688,447,3453 SERIES,448,449,208,209,TR600,04450001,PTF030,438A,451,SRP,452,453,454,TSM250,PTF035,213,456,215,821 SERIES,458,216,LV ULTRAMOV,459,217,218,SP3401,SP3400,AQ3522-01FTG,TPSMC,FHN26G2,TPSMB,PTF040,TPSMD,LS2405IDD23,PTF045,460,461,5KPA-HRA,462,220,464,465,466,224,467,225,576 SERIES,468,254 101,229,BXXX0CX,SL0902A,102080,470,BXXX1UX,471,472,230,473,232,233,501A,476,234,235,477,MIDSMD,PXXX4UCMC,239,MHS,850 SERIES,813 SERIES,AQ1205-01ETG,483,RA,485,487,802 SERIES,259UL913,ITV4030 22A,SM20,345121,102064,254 201 - 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