USB Type-C 电路保护至关重要的原因及其实现方式

通用串行总线 (USB) Type-C™ 推出了一种紧凑型、可反转的数据和电源连接器，同时支持 USB 功率输送 (USB PD)。USB PD 支持功率高达 100 W（20 V，5 A），除通用功能外，并因其支持锂电池快速充电功能，从而推动了 USB Type-C 的迅速普及。

然而，与所有版本 USB 技术一样，静电放电 (ESD) 会对 USB Type-C 系统的敏感硅器件构成风险。USB Type-C 还导致了一些特有的安全挑战：高功率输送、紧凑的连接器、消费者可以轻松连接不合规的电缆，这大大增加了该技术的过压故障概率，因此可靠的电路保护至关重要。

本文概述了对 USB Type-C 电路保护的需求，并介绍了一些保护电路和元器件实例。然后解释如何设计并实现保护这些系统不受 ESD 和过压故障模式影响的保护电路。

有关 USB PD 本身的更多详细信息，请参阅文库文章，“设计导入 USB Type-C 并使用其功率输送功能实现快速充电”。

USB Type-C 会出现什么问题？

对所有 USB 系统实施 ESD 保护是一种良好的设计原则。一些标准规定了 USB 系统（和其他地方）中的 ESD 放电稳健性要求。例如，EN 55024（“信息技术设备 - 抗扰度特性 - 限值和测量方法”）规定能经受 4 kV 接触放电，以及 8 kV 空气放电（标准 B：瞬时扰动和自恢复）

除了影响所有 USB 系统的 ESD 风险外，USB Type-C 还导致了一些特有的故障模式。这些模式由两种因素共同影响造成：USB PD 高功率输送和紧凑的几何形状。

如果传统 USB 系统采用 USB 2.0 或 3.0 通信协议，则可以使用 USB PD 实现高功率输送。然而，传统 USB 连接器（图 1）对几何形状的要求并不那么严格，在一定程度上降低了非 USB Type-C 应用的故障风险。

图 1：USB Type-C 的普及一定程度上归因于其紧凑、可反转的连接器。而缺点是引脚间距小于像 USB Type-A 之类旧版 USB 连接器。Type-C 引脚间距减小，导致短路概率增大。（资料来源：www.USB.org）

USB Type-C 连接器的引脚间距仅是 Type A 连接器的四分之一。当引脚间距减小后，在高电流/电压条件下，扭转电缆或拔下连接器时会导致灾难性短路概率增大。连接器内的碎屑堆积可能造成类似的灾难性后果。

此外，Type-C 的普及促成了大量第三方电缆和电源适配器。其中多数无法适应 USB Type-C 和 USB PD 标准支持的高电流。

与其他版本的 USB 技术相比，紧凑型连接器的机械应力、碎屑和不合规电缆，以及高电流/电压增加了 USB Type-C 系统短路的风险。如果连接器的相邻引脚 V_BUS 和 CC 或 SBU 之间发生短路，下游电路可能会受到 20 V 浪涌电压的损坏（图 2）。

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图 2：USB 插座（未显示所有引脚）剖面图说明了 CC（连接/配置）引脚与 SBU（边带/音频适配器附件配置/需定义的附加功能）引脚相邻于总线电源 (V_BUS)。（图片来源：STMicroelectronics）

PD 控制器的短路风险特别高，因为器件直接连接 CC 引脚并且设计最高运行电压为 5 V。由于在 USB PD 期间，PD 控制器负责协调充电器和被充电装置之间的最大电流和电压电平，因此保护好这些器件非常重要。PD 控制器损坏引起的 USB PD 异常运行，可能成为安全隐患。例如，未受保护的壁式适配器发生短路时，会导致下游 PD 控制器受损（图 3）。

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图 3：故障壁式适配器可能会在 V_BUS 和 CC 引脚之间短路，使下游 PD 控制器面临 20 V 的电压伤害。（示意图使用 DigiKey Scheme-it® 参照 Texas instruments 原图绘制）

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ESD 电路保护

通过在所有 USB Type-C 插头和插座引脚以及接地之间安装瞬态电压抑制 (TVS) 二极管，可以相对容易地实现 USB Type-C ESD 保护。需谨慎选择 TVS 二极管，因为器件需具备高电压 DC 承受能力，以应对所有 USB PD 充电操作。

STMicroelectronics 的 ESDARF02-1BU2CK 双向单路 TVS 二极管很适用此应用。在 +8 千伏 (kV) ESD 期间，在 30 ns 内器件将线路电压箝位在 19 V，在 100 ns 后箝位在 15 V（图 4）。当然，二极管要能承受 USB PD 期间常见的 20 V 直流电压。

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图 4：STMicroelectronics 的 ESDARF02-1BU2CK TVS 二极管对 +8 kV ESD 浪涌的响应。峰值电压限制为 242 V，电压在 30 ns 内降至 19 V。二极管还可以承受 USB PD 期间的高电压 DC。（资料来源：STMicroelectronics。）

STMicroelectronics 提供评估套件 STEVAL-OET004V1，以便设计人员进行 ESD 保护解决方案的相关实验。具体解决方案覆盖单独使用 TVS 二极管，到组合使用 ECMF04 和 ECMF02 共模扼流圈滤波器以及 TVS 二极管，以便在 USB Type-C 连接用于较高速数据传输时保护信号完整性。

虽然高电压 DC 耐受型 TVS 二极管和共模滤波器能够在瞬时 ESD 事件时提供良好的防护，但箝位电压通常远高于 USB PD 控制器等元器件规定的 5 V 限值。因此，单独使用 TVS 二极管时，无法针对短路引发的持续高电压提供防护。

过压电路保护

对于复杂的 USB Type-C 电路保护，ESD 保护须结合过压保护 (OVP) 以防范短路。在第一次检查时，OVP 似乎仅需应对 20 V 的峰值电压，因为这是 V_BUS 短路可能产生的最大电压。 

然而，并不总是如此。例如，一米 USB 电缆的电感足以产生瞬时振荡，可能产生两倍于稳态短路电压的峰值电压。在使用 20 V USB PD 的 USB Type-C 系统中，在 V_BUS 短路期间，CC 或 SBU 线路可能会传导高达 40 V 的电压。USB Type-C OVP 必须适应高于预期峰值电压的情况。

USB Type-C OVP 的一个相对直接的选择是采用与 OVP 器件配对的 N 沟道 MOSFET（nMOSFET）。

当监控的输入低于允许电流通过的用户可调过压阈值时，OVP 器件会将 nMOSFET 栅极驱动至高电平。在短路期间，当输入电压超过过压阈值时，nMOSFET 被拉低，并将负载与输入断开。除 OVP 器件，保护解决方案还需要一个充电泵以保持 6.5 至 8 V 的栅极电压。该电压可以让 nMOSFET 在低电阻区域运行，以适应正常 USB Type-C 运行时的 5 V DC。

当发生旁路掉电缆的 V_BUS 短路事件时，情况会变得更加复杂。因为在“无电缆”的插座中电感十分低，达到短路峰值电压的 90% 的上升时间少于 10 ns。这种突然上升超出了 nMOSFET 的反应时间，导致下游元器件承受破坏性电压。电缆旁路也会降低插座的电阻，使系统电流比“有电缆”时要高得多。因此，需要使用额外的箝位元器件来防范这类短路（图 5）。

图 5：用于 USB Type-C CC1 和 CC2 引脚的 ESD 和 OVP 电路原理图。每条线路的解决方案包括 nMOSFET、OVP 器件、充电泵和箝位组件。SBU 线路需要类似的保护。（图片来源：Texas Instruments）

保护电路基于 nMOSFET、OVP 器件、充电泵和箝位组件，每个 CC 引脚约有 15 个分立零件。同样也需采用类似的电路来保护 SBU 线路。这意味着很长的物料清单 (BOM)，而这仅用于实现保护功能。

简化保护（缩短 BOM）

USB Type-C 电路保护可以通过使用像 Texas Instruments 的 TPD8S300 这样的单芯片器件替换分立器件的方式，实现简化。该器件采用 3 x 3 mm 的 QFN 封装解决方案（图 6），其中集成了整个 V_BUS 短路 OVP 和 ESD 保护系统。

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图 6：该应用电路展示了单个 TPD8S300 如何为下游 USB PD 控制器提供 ESD 和 OVP 保护。（V_BUS 需要额外的 ESD 和 OVP 保护以实现全面的解决方案。）（图片来源：Texas Instruments）

工程师只需将一个 TPD8S300 添加至 USB Type-C 实现中，即可替代复杂的分立解决方案，从而满足整个 IEC 61000-4-2 ESD 和 V_BUS 短路 OVP 要求。TPD8S300 包括 4 通道 V_BUS 短路保护（CC 和 SBU 引脚）、8 通道 ESD 保护（CC、SBU 和 USB 2.0 引脚）以及无电电池电阻器。图 6 电路响应：在 CC1 引脚达到 6.5 V 的峰值电压后，在不到 100 ns 内被箝位至 0.5 V（图 7）。

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图 7：图 6 中的应用电路对 V_BUS 和 CC1 之间 20 V 短路的响应。CC1 引脚上电压（绿线）达到峰值 6.5 V，但在不到 100 ns 内被箝位至 0.5 V。（图片来源：Texas Instruments） 

结语

采用 USB PD 技术的 USB Type-C 系统可承载高达 20 V 的电压和 5 A 的电流。由于紧凑型连接器和插座组合的引脚间距较窄，这种高电压和电流放大了短路的风险（特别是与 V_BUS 电压轨相邻的 CC 和 SBU 引脚），因此必须实施 OVP 保护。

使用分立元器件可对 USB Type-C 系统实现全面的 ESD 和 OVP 保护，但是这种解决方案包含了数十个元器件，在为这种解决方案分配的空间中也难以容纳这么多器件，而且物料成本过高。

如图所示，将 ESD 和 OVP 电路集成到单个芯片中的替代方法大大简化了设计并减小了解决方案的尺寸。

参考文献

1. “USB Type-C 保护和滤波”，STMicroelectronics AN4871 应用说明，2016 年 12 月。
2. “USB Type-C 电路保护”，Texas Instruments，Padmanabhan Gopalakrishnan，Michael Koltun IV，2016 年 10 月。