【应用】音特电子为扩展坞提供电路保护解决方案，提升扩展坞及相关产品的技术可靠性

近年来，随着便携式设备轻薄化发展和电路接口技术的进步，便携式设备的预留的端口越来越少，甚至很多款笔记本电脑只预留了一个单一的Type-C接口。

图1 笔记本电脑预留Type-C接口与扩展坞接口类型

单一接口带来的体验感、美观度、防水性能、轻薄尺寸等优势显而易见，但是，在跟传统设备如投影仪、网线、USB外设等进行有线连接时，接口少就成了弊端。扩展坞正是为了解决便携式设备接口少、不匹配等问题的。

扩展坞（Docking Station）功能上简单理解就是可以扩展笔记本电脑功能的底座，用来连接多种外部设备。但在技术和市场上，扩展坞并不简单：

1) 扩展坞的接口类型、接口数量、数据传输速率、PD充电、尺寸、重量、价格等都是市场用户购买的重要考量因素；

2) 在技术和生产端，大功率双向充电、高速率数据传输、兼容多种接口的并行工作都会给电路设计、PCB布局、元器件成本、PCBA等制造成本控制带来巨大的取舍和选择困难；

3) 再加上市场变化、资本冲击、元器件涨价等因素，导致扩展坞设计完美的产品在技术圈人人称赞，却也不是人手一个，在消费市场上也仅仅因为笔记本电脑的输出困难，引发过一波轰动。

音特电子利用自身车规级高品质的保护器件优势，和15年的EMC测试技术积累，为扩展坞提供电路保护解决方案，为技术工程师提供参考设计，提升扩展坞及相关产品的技术可靠性。

1、扩展坞的接口                                            

1.1扩展坞基本工作原理

扩展坞的组成主要包括主控芯片MCU、接口电路、接口数据转换芯片、保护电路。如USB3.0接口部分，外部数据在主控MCU的控制下，通过USB3.0接口，经转换芯片进行转换后，发送到电脑或其他接口。

  图2 扩展坞的接口组成示例

1.2接口

扩展坞（Docking Station），也称为USB Type-C HUB（集线器），除了一根从便携式设备（笔记本电脑）Type-C接口引出的线作为输入端外，拥有多个扩展输出接口。接口类型及数量，是衡量扩展坞的主要参数之一。最简单的为“二合一”，即一个Type-C In作为输入，两个Type-C Out输出接口；

图3 “三合一”和“六合一”扩展坞示例复杂的有“六合一”、“八合一”，甚至更多接口的集合。

扩展坞常见接口如下（主要关注性能参数）：

1) 供电接口PD：具有双向供电能力，（供电功率）；

2) USB（2.0,3.0）：传统数据传输接口，（数据传输速率）；

3) 显示接口HDMI、VGA：外接有线投影仪、显示器等设备，（数据传输和转换速率）；

4) 音频接口Audio：用于音频输入输出，（接口类型、输出音频功率）；

5) 网线接口RJ45：有线Ethernet连接，（传输速率）；

6) 外设存储接口SD、TF：用于SD卡、Micro SD卡等外部存储器的读写，（数据速率）。

2、接口保护方案                                            

音特电子对扩展坞多种数据传输与转换方案进行分析研究，对各个单元电路的电源端、接口制定合适的保护电路参考设计，提高产品可靠性和工作稳定性。

2.1 PD充电端口

USB-PD（Power Delivery）是基于USB Type-C的一种电源供电标准，最大供电功率可达100瓦（W）；随着USB Type-C的普及，越来越多的设备（手机、平板、显示器、工作站、充电器等）使用USB-PD快速充电方案。

图4 USB PD充电接口（Type-C）

USB PD充电端口采用Type-C接口，主要考虑的是通信接口上的静电保护（ESD1,ESD2）及电源控制开关管自身的保护（TVS1,TVS2），以及电源端的浪涌防护（TVS）。

图5 USB PD充电电路保护方案

推荐音特电子保护器件的部分参数有：

USB通用串行总线（Universal Serial Bus）是连接计算机系统与外部设备的一种串口总线标准，也是一种输入输出接口的技术规范，被广泛地应用于个人电脑和移动设备等信息通讯产品，并扩展至摄影器材、数字电视（机顶盒）、游戏机等其它相关领域。3.2 传统USB数据接口

 图6部分常见USB接口

各种USB接口传输速率： 

1） USB1.0速度只有1.5Mb/s(位每秒)；USB 1.1速度达到12Mb/s，在部分旧设备上还能看到这种标准的接口；

2） USB2.0的传输速率达到了480Mbps，折算为MB为60MB/s；

3） USB3.0（蓝色口）的理论速度为5.0Gb/s，实际能达到2.5G左右；

USB 3.1（Type-C口），传输速度为10Gbit/s，三段式电压5V/12V/20V，最大供电100W，新型Type C插型不再分正反。（即3.1的USB PD）

图7 USB 扩展电路保护方案

*推荐采用音特电子满足多线保护（四线）、低电容2.5pF（高速率传输要求）、小型封装（SOT23-6L）、带电源保护的静电保护器件ESDSRV05-4，其主要参数有：

2.3 HDMI、VGA、DVI、mini DP视频数据接口

笔记本电脑只有一个Type-C接口的最大问题就是给IT人士接投影仪带来了麻烦，传统有线投影仪一般需要采用VGA或者HDMI接口来进行连接。这也是扩展坞发展的最大推动力之一。

图8 HDMI、VGA、DVI接口

要保证高速率的数据和控制信号传输，需要尽量消除静电等干扰因素。

图9 HDMI接口保护方案

图10  DP接口和HDMI接口布线示意图

HDMI保护器件一般需要小型封装，方便元件布局和PCB布线（如图10）；超小电容（1pF）。

推荐采用音特电子静电防护器件ESD0524P，采用DFN2510封装，0.35pF。其主要参数如下：

2.4 SD/TF存储卡接口

为了与电脑之间进行SD、TF卡的高速数据存储，扩展坞常常配备了SD或TF卡的读取接口。音特电子为SD、TF数据接口的数据线（ESD9）、控制信号线（ESD8）以及数据转换IC与主控MCU之间通信线（ESD7）提供了电路保护方案（图11），供工程师参考设计。

图11  SD、TF卡电路保护方案

其中，推荐音特电子保护器件的部分参数：

2.5 RJ45以太网接口 

当遇到手里捏着网线却上不到网的那一刻，人是会崩溃的。随着WIFI的普及，很多笔记本电脑已经不再配备网线插孔。多合一的扩展坞有时会预留RJ45网线接口。音特电子为RJ45接口设计电路保护方案（图12），在网络接口接入瞬间，抑制瞬间高压或静电干扰，保护接口芯片及内部线路。

图12 RJ45接口电路保护方案

*音特电子推荐使用单颗器件ESD5V0K5，5V、SOT363封装，部分参数如下：

2.6 Audio音频接口

为了扩展电脑的音频输入或输出接口，扩展坞常常配备音频接口，负载变化或静电可能导致内部器件损坏，因此，音特给音频接口设计有电路保护方案。除了双声道音频外，音频输入等信号线需要考虑布局布线设计，因此，推荐采用单颗ESD器件。

图13 Audio 音频接口电路保护方案

*音特电子推荐采用静电防护器件ESD5V0D9B，超小型SOD923封装，适合接口布线。

3、小结                                              

全功能Type-C接口及相关协议，在接口尺寸、快速充电、正反插、兼容性等方面优势明显，也推动了笔记本电脑、手机等便携式设备的轻薄化到了极致。为了扩展接口功能的扩展坞，在未来家庭、办公等使用场景，还有一定的应用市场。

音特电子为其设计全面电路保护方案(上述电路仅仅为其中一种示例),并对各种方案提供测试数据及元器件物料配置，供广大电路设计工程师参考。