可保护USB Type-C连接器免受静电放电和过热影响的组件
本文介绍可保护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 连接器的信号触点间距为 0.5 mm
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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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 连接器的信号触点间距为 0.5 mm
对产品可靠性的挑战
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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)
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