不断升级的USB-C接口

作者：时间：2022-05-19来源：贸泽电子收藏

盘点一下我们身边电子设备外壳上各式各样的接口，你可能会发现，它们的种类和数量正在减少。但与此同时有一个接口上镜的机会却越来越多，这个接口就是USB Type-C（以下简称USB-C）。

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/202205/434239.htm

根据HIS的市场研究数据，2021年全球配备USB-C接口的设备出货量接近50亿部，在智能手机、平板和笔记本电脑等数以亿计的消费电子产品及其相关配套组件中，USB-C已经成为标配。

从2015年进入商用，USB-C能够以如此快的速度占领市场、一统江湖，并不是偶然的。要说USB-C究竟好在哪？随便找来一个非专业人士的普通消费者也能摆出好几条：外形小、支持正反插、可以双向供电，数据视频传输一肩挑……当然其中尤为关键的肯定是下面这两条：数据传输的速度更快，电力传输的效率更高效。

新标准带来的新挑战

在标准定义之初，USB-IF就是以一个”具有技术前瞻性的物理接口”这样的定位来打造USB-C的。事实也表明，这些年USB在数据传输和电力传输方面标准的提升背后，USB-C提供的有力支撑功不可没。

具体来讲，经过了多年的迭代，USB的数据传输标准已经从USB 1.0的1.5Mbps、USB 2.0的480Mbps，提升到了USB 4.0的40Gbps。能够有这样的底气和迭代速度，与USB-C提供的双通道（x2）架构是不无关系的。

图1：USB数据传输标准的升级之路

（图源：Littelfuse）

从电力传输方面来看，USB-C应用伊始，其支持高达100W（20V @ 5A）的USB PD协议就是一个关键的卖点。这一功能使得可以通过USB-C接口供电的设备范围大大扩展，而且也使得其成为被“能源焦虑症”困扰的智能手机提升充电功率的坚实支点。去年5月，USB-IF发布了新的USB PD 3.1标准，更是将USB-C支持的上限输出功率从之前USB PD 3.0规定的100W，提升到了240W（48V @ 5A）！如果与2010年推出的7.5W的USB BC1.2比较，在十年间USB的电力传输能力增长达32倍！

而且USB-C中专门定义了用于PD协议传输的CC线路，负责在供电和受电设备之间协商电力协议，这就使得可编程电源PPS（Programmable Power Supply）的实现成为可能，也确保了基于USB-C的快充可以实现更高的能效。

可以说，与其他的接口相比，USB-C物理接口标准与数据传输标准以及USB PC功率传输标准相互支撑，协同推进，成就了其今天稳固的江湖地位。

不过，所谓“能力越大，责任越大”，USB-C在数据和电力传输上能力的提升，也带来了新的挑战，特别是来自可靠性与稳定性方面的挑战。这是因为，这些标准在制订时并未直接规定保护USB接口免受外部危害的具体方法，而在实际应用中，由于USB-C外形更小，连接密度更大，在接口的电路保护方面面临的压力会更大，尤其是在静电防护（ESD）和过热保护两方面，必须有针对性的方案确保USB-C接口的可靠性。

图2：与传统的4针脚USB-A连接器相比，USB-C连接器有24针，信号触点间距仅为0.5mm

（图源：Littelfuse）

构筑全方位的ESD防护

我们先来看看ESD防护。USB-C连接器和电缆暴露于外部环境的电子电路中，难免会受到人的直接接触或电弧等带来的ESD冲击，这种冲击电压可达30kV或更高，瞬间电流高达30A，这样的高能量可以熔化硅和导线，导致元件完全失效。即使没有造成这种“硬”伤害，ESD引起的电流也可能导致“软”故障，包括逻辑器件的状态变化、闩锁或不可预知的行为，这就会影响数据传输速度，导致系统误启动，或者造成一些潜在的缺陷，影响元器件的可靠性或者减少其使用寿命。因此，对于USB-C接口这种存在ESD高风险的“界面”，必须严密设防。

不过，对于USB-C接口来说，想要全面设防ESD并不简单，其面临着一些前所未有的挑战：

与仅有4引脚的USB-A连接器相比，USB-C接口的引脚数量达到了24条，而尺寸又被大大地压缩了，因此保护元件必须拥有更紧凑的外形。在这样的情况下，占板面积较大的分立保护元件的应用会受到限制，具有更高封装密度的方案（如TVS二极管阵列）就成了更理想的选择。

与此同时，这24个引脚（线路）的角色各不相同，对于ESD冲击的防护要求也有很大的差别。比如对于电源传输线的ESD保护元件，额定电压是一个很重要的指标；而对于数据线，为了支持高速率的数据传输，对于ESD防护元件的低电容值会更为敏感，这是因为电容会弱化传输的信号，电容容值越高对信号的衰减作用会越明显，因此传输速率越高的数据接口，也就需要更低电容值的ESD抑制元件。

图3：USB-C接口ESD防护解决方案

（图源：Littelfuse）

图3展示了一个典型USB-C接口的ESD防护解决方案，可以看到需要保护的线路包括USB 2.0、SuperSpeed、SBU、CC、Vbus五种，分别对应图中的II、III、IV、V四类情况。每一条线路的ESD防护要求都不同，而我们的解决方案却要尽可能做得面面俱到。

如果我们分别针对每个线路的ESD防护规格，进行保护元件的选型，这无疑是一个费时费力的过程。为了解决工程师的这个烦恼，Littelfuse提供了一个完整的解决方案，为每个线路的ESD匹配了合适的保护元件。下面我们对这一方案做个细致地观察。

USB 2.0线路

先来看对于USB 2.0线路的保护，这个引脚是USB-C为了兼容之前USB 2.0数据传输标准而专门保留的，支持480Mbps的传输速度，其ESD防护需要满足IEC 61000-4-2标准要求的8kV水平，且需要具有较低的电容以满足高速数据传输的要求。Littelfuse方案中，为此匹配的保护器件是SP3530单向TVS二极管，该器件可以安全地吸收高达22kV的ESD能量冲击，接近IEC 61000-4-2要求的3倍，而且不会衰减；同时，0.3pF的低电容也可以尽可能地减少对信号转换的干扰。0201的SMD封装外形也足够小巧，不会占用太大的PCB面积。

图4：SP3530单向TVS二极管

（图源：Littelfuse）

SuperSpeed线路

接下来我们来看看SuperSpeed线路，这几个引脚是USB-C接口实现数十Gbps数据传输速率的关键，肯定需要一颗具有尽可能低电容的保护元件，以免影响超高速数据传输的性能。因此，Littelfuse的电容仅为0.09pF的SP3213双向TVS二极管阵列成为了理想选择，它可以为超高速信号传输提供出色的信号完整性，并提供12kV的ESD防护能力，安全地吸收重复性静电放电冲击，且性能不会下降，还可以安全地耗散2A的8/20μs浪涌电流（IEC 61000-4-5第2版）。同时，由于采用紧凑的μDFN-2表面贴装封装，满足小型化的设计要求也不在话下。

图5：SP3213双向TVS二极管阵列

（图源：Littelfuse）

SBU和CC线路

我们要考虑的第三种情况是供边带使用（SBU）和配置通道（CC）的线路，它们虽然也是信号传输通道，但是与USB 2.0和SuperSpeed线路相比，数据传输速率比较低，因此可以选择电容较高的TVS器件，以便在性能和成本上实现极佳的平衡。Littelfuse的SP1006单向TVS二极管阵列正好可以满足这个要求，其同样采用0201尺寸μDFN-2封装，可以安全吸收30kV的可重复性ESD接触放电，并安全地耗散5A的8/20μS浪涌电流，钳位电压很低。

图6：SP1006单向TVS二极管阵列

（图源：Littelfuse）

Vbus线路

与上面四条信号线路相比，Vbus电源线的ESD保护要求有些不同，在这里使用的TVS二极管需要能够承受比信号线保护器件更高的功率水平。根据USB PD标准的要求，Vbus线路上可以传输电压高达20V，而普通的ESD保护器件通常只能承受5V、6V或者12V的电压。Littelfuse的SPHV系列TVS二极管就是专为20V功率线路的保护应用而设计的，其200W的功率容量对于保护100W的Vbus线路显然是游刃有余。SPHV系列TVS二极管同样采用表面贴装封装，可承受30kV的ESD冲击，并通过了AEC-Q101车规认证。

图7：SPHV和SPHV-C TVS二极管

（图源：Littelfuse）

前文曾经提到，新的USB PD 3.1标准将支持的上限功率扩展到了240W，相应地线路上的上限电压也提升到了42V。面对这一新变化，ESD器件的耐压能力当然也要升级。为此，Littelfuse的SMBJ TVS二极管可堪重用，它具有高达600W的峰值额定功率，可以吸收高达30kV的ESD冲击，表面贴装的封装也确保了其足够“纤细”的外形。

有了上述这些TVS二极管器件的全面守护，USB-C接口的ESD防护可以说是高枕无忧了。

不同以往的过热保护

随着USB-C支持的功率水平不断升级，另一个可靠性风险也会增加，这就是连接器插头和插座的过温（过热）。

USB-C连接器互连密度高（引脚间距仅有0.5mm），作为电子设备与外界的接口，更容易受到污垢和灰尘等杂质的污染，从而导致电源与接地之间的电阻性故障。Vbus线路上承载的功率越高，USB连接器的过热风险也就越大，这不仅可能会损坏连接器、电缆和连接端口中的元器件，过高的温度还可能会熔化连接器，甚至引发火灾。

传统的防止USB接口线缆过热的方法，是在Vbus电源线上装配一个PPTC可恢复式保险丝或者一个小型断路器，它们被内置在连接器内部的一个PCB线路板上去监测可能带来风险的温升。

不过当功率提升到100W以上时，这种方法的短板就显现出来了。这主要是因为，串联在电源线上的这些保护元件具有内阻，即使仅有几毫欧的内阻，在高功率的线路上也会造成显著的功率损耗，这就让设备制造商应对越来越严苛的能耗标准的难度加大。

此外，使用PPTC可恢复式保险丝或者小型断路器，开发者在小型化设计上的挑战也会更大。比如，一个60W充电器所需的PPTC，其占板面积为就有3.2mm × 2.5mm，小型断路器的外形会更大；而当功率提升到100W以上时，这些保护元件的尺寸还会有显著地增加。

因此，想要实现可靠的USB-C连接器过热保护，必须有些新办法。Littelfuse对此给出的解决方案就是独特的setP™数字温度指示器。

图8：setP™温度指示器

（图源：Littelfuse）

与将保护元件串联在Vbus电源线上的老办法不同，setP™温度指示器是串联在CC控制线路上的（如图3中的I所示）。当该元件检测到100°C以上的温度时，其电阻会大幅增加，这时USB PD协议将高电阻解释为源连接、Vbus和接收器连接、负载之间的断开连接，会将Vbus线路停用，由此阻止过热情况的加剧。当导致过热的条件得到纠正，setP™检测到的温度降至100°C以下时，其阻值会重置为10Ω左右的低阻状态，这时Vbus会重新通电。