Universal Seral BUS（USB）是一種無(wú)處不在的連接解決方案，已成為我們?nèi)粘Ｉ钪胁豢苫蛉钡囊徊糠帧SB因其簡(jiǎn)易便攜性、傳輸速率快和充電功能強(qiáng)而應(yīng)用廣泛。如今，許多流行的電子設(shè)備，如智能手機(jī)、智能手表、耳機(jī)、游戲機(jī)、WIFI適配器、平板電腦和筆記本電腦，都至少具備一個(gè)USB端口。以前每個(gè)設(shè)備都需要一個(gè)專用充電器，因此在旅行時(shí)需要攜帶多個(gè)充電器。然而引入U(xiǎn)SB Type-C Power Delivery（USB-PD）后，徹底改變了充電功能。USB Type-C with Power Delivery可增加電力傳輸，使單根充電器電纜能夠通過(guò)其USB端口為多個(gè)設(shè)備充電。

雖然USB-PD可以方便地使用單根電纜為多個(gè)設(shè)備充電，但增強(qiáng)的電力傳輸能力也帶來(lái)了更高的風(fēng)險(xiǎn)。隨著最新的USB-PD規(guī)格支持通過(guò)兼容USB電纜提供高達(dá)240W的功率傳輸，遭遇瞬態(tài)過(guò)電壓和浪涌的可能性也相應(yīng)增加。由于設(shè)備經(jīng)常從USB Type-C端口插入和拔出，因此這些端口經(jīng)常面臨電氣過(guò)載（EOS）和靜電放電（ESD）事件。更高的功率水平需要為設(shè)備的USB Type-C接口和內(nèi)部IC提供強(qiáng)大的保護(hù)措施，以防止ESD和浪涌帶來(lái)的危險(xiǎn)。本文詳細(xì)介紹了降低風(fēng)險(xiǎn)并保護(hù)USB-PD中的VBUS線（電源線）的保護(hù)解決方案，確保USB Type-C端口和連接的設(shè)備在供電能力增強(qiáng)的情況下安全可靠地運(yùn)行。

什么是 USB-PD？

USB-PD是一種基于 USB Type-C標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)建的先進(jìn)快速充電技術(shù)，它基于充電規(guī)范運(yùn)行，以最大限度地提高傳輸?shù)竭B接設(shè)備的功率。USB-PD規(guī)范定義了設(shè)備如何利用 USB Type-C 連接器供電，以及如何在供電過(guò)程中識(shí)別和管理這些設(shè)備。USB-PD的一個(gè)關(guān)鍵特性是，它可以使設(shè)備能夠在精確傳輸或接收電源之前通過(guò)USB Type-C連接器上的專用通信通道進(jìn)行通信。這可以讓設(shè)備僅獲得所需的功率，防止過(guò)度充電或充電不足的問(wèn)題。

1. USB Power Delivery規(guī)格

由USB實(shí)施者論壇（USB-IF）設(shè)計(jì)的USB供電（USB-PD）規(guī)范已經(jīng)發(fā)展了四個(gè)版本，逐步增強(qiáng)了供電能力和靈活性。最初的USB-PD 1.0僅提供固定功率配置：10W（5V，2A）、18W（12V，1.5A）、36W（12V，3A）、60W（20V，3A）和100W（20V，5A）。USB-PD 2.0為標(biāo)準(zhǔn)功率范圍（SPR）引入了四個(gè)固定電壓電平（5V、9V、15V、20V），具有3A或5A的靈活電流選項(xiàng)。這種組合實(shí)現(xiàn)了更多通用的充電選項(xiàng)，功率范圍從0.5W到100W不等。USB-PD 3.0進(jìn)一步擴(kuò)展了USB-PD 2.0的功能，提供額外的設(shè)備信息，如電源狀態(tài)、電池電量和系統(tǒng)通知。雖然USB-PD 2.0和3.0提供了更大的動(dòng)態(tài)性和靈活性，但大型設(shè)備對(duì)更高功率和更快充電的需求不斷增長(zhǎng)，因此需要USB-PD 3.1具有擴(kuò)展功率范圍（EPR）。3.1修訂版采用了28V、36V和48V的更高電壓，當(dāng)選擇5A為最大電流選項(xiàng)時(shí)，最大功率輸出分別為140W、180W和240W。

2. 使用TDS的VBUS保護(hù)

USB-PD規(guī)范允許USB Type-C在主機(jī)和外圍設(shè)備都支持USB-PD并使用兼容的USB Type-C電纜時(shí)，使用標(biāo)準(zhǔn)功率范圍提供高達(dá)100W的功率，使用擴(kuò)展功率范圍提供高達(dá)240W的功率。憑借這種高功率傳輸能力和更快的充電速度，保護(hù)USB Type-C接口的VBUS免受ESD、瞬態(tài)過(guò)壓和浪涌事件的影響至關(guān)重要，如圖1所示。增強(qiáng)對(duì)瞬態(tài)事件的屏蔽對(duì)于保護(hù)電子設(shè)備內(nèi)部的集成電路(IC)是必要的，因?yàn)檫@些IC極易受到ESD和浪涌的損壞。保護(hù)VBUS引腳需要一種工作電壓高于總線電壓、低于損壞閾值的低鉗位電壓和快速響應(yīng)時(shí)間的ESD保護(hù)器件。此外，VBUS線路保護(hù)裝置需要具有高ESD耐壓以滿足IEC 61000-4-2規(guī)范、高峰值脈沖電流能力以滿足IEC 61000-4-5規(guī)范，以及符合IEC 61000-4-4規(guī)范的高電氣快速瞬變（EFT）耐壓。

圖1 使用TDS為USB Type-C進(jìn)行VBUS保護(hù)

? ? ? 湖南靜芯半導(dǎo)體提供各種TDS產(chǎn)品系列，以保護(hù)USB Type-C連接器的高速數(shù)據(jù)線、CC/SBU線和D+/D-線。與傳統(tǒng)的TVS二極管不同，TDS在溫度范圍內(nèi)具有出色的鉗位電壓特性和穩(wěn)定性，超越了傳統(tǒng)的TVS二極管。

傳統(tǒng)TVS二極管與TDS的比較

傳統(tǒng)的TVS二極管依賴于其內(nèi)部的PN結(jié)二極管進(jìn)行反向擊穿和浪涌電流泄放，總鉗位電壓由反向擊穿電壓和峰值脈沖電流乘以動(dòng)態(tài)電阻決定。如圖2所示，鉗位電壓隨著峰值脈沖電流（I_PP）的增加而上升，同時(shí)伴隨著動(dòng)態(tài)電阻的上升。與反向擊穿電壓相比，較高的動(dòng)態(tài)電阻會(huì)導(dǎo)致鉗位電壓顯著升高。然而溫度也是一個(gè)不可忽視的關(guān)鍵因素，在高溫狀態(tài)下傳統(tǒng)TVS二極管的鉗位電壓也會(huì)增加，而高鉗位電壓可能最終導(dǎo)致熱失控問(wèn)題。

圖2 (a) 傳統(tǒng)TVS二極管的電氣模型，(b) 傳統(tǒng)TVS二極管的關(guān)斷、擊穿和鉗位電壓

圖3 (a) TDS框圖，(b) TDS的關(guān)斷、擊穿和鉗位電壓

? ? ? TDS的工作方式與TVS二極管不同，TDS不再使用傳統(tǒng)的PN結(jié)作為擊穿機(jī)制與浪涌電流泄放通路。相反，TDS采用浪涌額定金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MOSFET）進(jìn)行浪涌電流泄放，以觸發(fā)電路作為主要鉗位元件。這整個(gè)過(guò)程就像一個(gè)電壓控制開(kāi)關(guān)。如圖3所示的觸發(fā)電路不斷偵測(cè)受保護(hù)端口的電壓，當(dāng)檢測(cè)EOS事件時(shí)激活內(nèi)置的MOSFET。觸發(fā)電路的設(shè)計(jì)方式使鉗位電壓略大于比反向擊穿，因此即使有更多的浪涌電流流過(guò)TDS時(shí)，鉗位電壓也不會(huì)像傳統(tǒng)的TVS二極管那樣增加（圖3）。除此之外，由于采用浪涌額定金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管進(jìn)行浪涌電流泄放，其漏電流和溫度特性都優(yōu)于PN結(jié)，因此TDS鉗位電壓、漏電流以及溫度特性相比于傳統(tǒng)TVS二極管更具優(yōu)勢(shì)。

TDS的優(yōu)點(diǎn)

湖南靜芯半導(dǎo)體的TDS具有顯著的性能優(yōu)勢(shì)，可保護(hù)USB-PD VBUS線路免受ESD和浪涌事件的影響。一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是TDS工作在額定峰值脈沖電流范圍內(nèi)幾乎恒定的鉗位電壓。在圖4中可以看到，傳統(tǒng)TVS二極管的鉗位電壓隨著峰值脈沖電流的增加而增加，相比之下，TDS鉗位電壓保持恒定，直到達(dá)到最大峰值脈沖電流。TDS中的MOSFET的導(dǎo)通電阻與峰值脈沖電流成反比。因此，導(dǎo)通電阻和峰值脈沖電流的乘積即鉗位電壓，其在整個(gè)范圍內(nèi)幾乎保持恒定，這帶來(lái)了顯著的優(yōu)勢(shì)。在通過(guò)USB-PD充電的同時(shí)保護(hù)高壓應(yīng)用，將損壞主機(jī)和外圍設(shè)備的風(fēng)險(xiǎn)降至最低。

圖4 TDS和傳統(tǒng)TVS二極管的峰值脈沖電流 vs. 鉗位電壓

? ? ? TDS的鉗位電壓通常比傳統(tǒng)TVS二極管的鉗位電壓低30%。如圖5所示，鉗位電壓的定義是在最大峰值脈沖電流導(dǎo)通期間TVS二極管上的最大電壓降。較低的鉗位電壓表示更好的保護(hù)，它為系統(tǒng)中的其他組件創(chuàng)造了更大的安全余量。當(dāng)USB-PD規(guī)范允許USB Type-C充電高達(dá)20V至48V時(shí)，較低的鉗位電壓是ESD保護(hù)設(shè)備中需要選擇的關(guān)鍵參數(shù)。

圖5 TDS和傳統(tǒng)TVS二極管的鉗位電壓比較

? ? ? 另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)溫度變化對(duì)TDS的影響非常小。傳統(tǒng)TVS二極管的鉗位電壓隨溫度的上升而線性增加，而TDS的鉗位電壓在整個(gè)工作溫度范圍內(nèi)保持穩(wěn)定（圖6），這個(gè)優(yōu)異特性能保護(hù)USB-PD、傳感器在惡劣環(huán)境中長(zhǎng)時(shí)間工作。

圖6 不同溫度下TDS和TVS二極管的鉗位電壓

? ? ? 以下為T(mén)DS的優(yōu)點(diǎn)總結(jié)：

1. 全面的電壓范圍覆蓋范圍

TDS保護(hù)所有標(biāo)準(zhǔn)電壓選項(xiàng)(5V、9V、15V、20V)這些選項(xiàng)在USB PD 2.0/3.0規(guī)范中定義，并擴(kuò)展到USB PD 3.1規(guī)范中引入的三個(gè)更高電壓選項(xiàng)(28V、36V、48V)。它適用于USB-PD中使用的各種電壓，包括標(biāo)準(zhǔn)和擴(kuò)展功率范圍。

2. 增強(qiáng)的保護(hù)能力

TDS提供強(qiáng)大的ESD和浪涌保護(hù)，保護(hù)敏感電子元件免受損壞。TDS產(chǎn)品組合提供高達(dá)IEC 61000-4-5標(biāo)準(zhǔn)1級(jí)的浪涌抗擾度和IEC 61000-5 ESD標(biāo)準(zhǔn)4級(jí)以上的抗擾度。

3. 高耐用性

與傳統(tǒng)保護(hù)器件不同，TDS表現(xiàn)出卓越的耐用性。它們?cè)谑覝氐礁邷叵卤３忠恢碌男阅埽@是傳統(tǒng)分立TVS二極管所無(wú)法比擬的。

4. 較低的鉗位電壓和較高的峰值脈沖電流

利用TDS進(jìn)行串聯(lián)和并聯(lián)連接，可以在特定應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)工作電壓、鉗位電壓和峰值脈沖電流處理能力之間的最佳平衡。兩顆TDS串聯(lián)連接可以實(shí)現(xiàn)更高的觸發(fā)電壓，以此防護(hù)更高電源電壓系統(tǒng)。除此之外，兩顆TDS反相串聯(lián)連接可以實(shí)現(xiàn)受保護(hù)端口的正負(fù)浪涌脈沖防護(hù)。因此TDS具有極高的靈活性，以滿足不同應(yīng)用場(chǎng)景的需求。

• 用于定制鉗位電壓的串聯(lián)連接：

圖7 ESTVS3300DRVR和ESTVS2200DRVR串聯(lián)

? ? ? 雖然TDS提供的鉗位電壓低于傳統(tǒng)的TVS二極管，但它提供了更大的靈活性。如果應(yīng)用需要的特定鉗位電壓大于單個(gè)TDS提供的值，可以串聯(lián)多個(gè)TDS。以48V VBUS應(yīng)用為例，使用ESTVS2200DRVR和ESTVS3300DRVR串聯(lián)的組合，您可以實(shí)現(xiàn)更低的鉗位電壓和相同級(jí)別的保護(hù)，如圖8所示。

ESTVS2200DRVR的鉗位電壓為28V，最大l_PP為70A，而ESTVS3300DRVR的鉗位電壓為40V，最大I_PP為50A。通過(guò)將它們串聯(lián)，組合的觸發(fā)電壓和鉗位電壓有效地增加，以滿足應(yīng)用領(lǐng)域的需求。在l_PP為35A時(shí)達(dá)到66V的鉗位。該串聯(lián)操作的波形如圖9所示。

圖8 串聯(lián)連接的ESTVS3300DRVR和ESTVS2200DRVR的V_CL和l_PP波形

• 峰值脈沖電流的并聯(lián)連接

圖9 ESTVS2200ERVR并聯(lián)

圖10 10個(gè)ESTVS2200DRVR并聯(lián)連接的V_CLAMP和l_PP波形

? ? ? 如果任何USB-PD應(yīng)用需要更高的浪涌保護(hù)，則可以通過(guò)并聯(lián)實(shí)現(xiàn)更高的峰值電流。例如，并聯(lián)連接ESTVS2200DRVR器件可將峰值電流處理能力提高到700A左右（單個(gè)器件70A額定值的10倍）。圖10顯示了這種情況在室溫下的鉗位電壓和峰值脈沖電流波形。從波形中可以看出，鉗位電壓為27.6V，約等于單個(gè)ESTVS2200DRVR的鉗位電壓，而峰值脈沖電流約為700A。

結(jié)論

帶有USB-PD的USB Type-C是一種功能強(qiáng)大的多功能接口，可提供高達(dá)100W的充電功率，在擴(kuò)展功率范圍內(nèi)可以達(dá)到240W。不斷增加的功率使得USB Type-C端口更容易受到ESD事件和浪涌沖擊，可能會(huì)損壞USB收發(fā)器的精密內(nèi)部組件。為了保證USB-PD的使用壽命和運(yùn)行穩(wěn)定，高效的ESD保護(hù)和浪涌保護(hù)至關(guān)重要。湖南靜芯半導(dǎo)體的TDS產(chǎn)品可有效應(yīng)對(duì)這些威脅，其緊湊的尺寸和多功能性使其成為保護(hù)USB-PD應(yīng)用中的USB Type-C接口的理想選擇，制造商可以在使用其高性能電子產(chǎn)品時(shí)為消費(fèi)者提供持續(xù)可靠的體驗(yàn)。

靜芯公司推出的系列TDS芯片具有接近理想狀況的ESD和EOS保護(hù)特性，可以廣泛應(yīng)用于USB/雷電接口、工業(yè)機(jī)器人、IO-Link接口、工業(yè)傳感器、IIoT設(shè)備、可編程邏輯控制器(PLC)和以太網(wǎng)供電(PoE)等領(lǐng)域，可為系統(tǒng)提供更全面以及更可靠的保護(hù)。目前公司推出來(lái)ESTVS2200DRVR、ESTDS2211P、ESTVS3300DRVR、ESTDS3311P等型號(hào)，歡迎客戶前來(lái)咨詢選購(gòu)。