usb type-c电路保护的重要性

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100W（20V，5A），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4kV接触放电，以及8kV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usb2.0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。

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VBUS和CC或SBU之间发生短路，下游电路可能会受到 20V浪涌电压的损坏（图2）。

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 (VBUS)。

PD控制器的短路风险特别高，因为器件直接连接CC引脚并且设计更高运行电压为5V。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更大电流和电压电平，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）。

图3:故障壁式适配器可能会在VBUS和CC引脚之间短路，使下游PD控制器面临20V的电压伤害。