【導讀】pandianyixiawomenshenbiandianzishebeiwaikeshanggeshigeyangdejiekou，nikenenghuifaxian，tamendezhongleiheshuliangzhengzaijianshao。danyucitongshiyouyigejiekoushangjingdejihuiqueyuelaiyueduo
，zhegejiekoujiushiUSB Type-C（以下簡稱USB-C）。

根據HIS的市場研究數據，2021年全球配備USB-C接口的設備出貨量接近50億部
，在智能手機、平板和筆記本電腦等數以億計的消費電子產品及其相關配套組件中，USB-C已經成為標配。

從2015年進入商用，USB-C能夠以如此快的速度占領市場、一統江湖，並不是偶然的。要說USB-C究竟好在哪？隨便找來一個非專業人士的普通消費者也能擺出好幾條：外形小、支持正反插
、可以雙向供電，數據視頻傳輸一肩挑……當然其中尤為關鍵的肯定是下麵這兩條：數據傳輸的速度更快
，電力傳輸的效率更高效。

新標準帶來的新挑戰

在標準定義之初，USB-IF就是以一個”具有技術前瞻性的物理接口”這樣的定位來打造USB-C的。事實也表明，這些年USB在數據傳輸和電力傳輸方麵標準的提升背後
，USB-C提供的有力支撐功不可沒。

具體來講，經過了多年的迭代，USB的數據傳輸標準已經從USB 1.0的1.5Mbps、USB 2.0的480Mbps，提升到了USB 4.0的40Gbps。能夠有這樣的底氣和迭代速度
，與USB-C提供的雙通道（x2）架構是不無關係的。

圖1：USB數據傳輸標準的升級之路

（圖源：Littelfuse）

從電力傳輸方麵來看，USB-C應用伊始，其支持高達100W（20V @ 5A）的USB PD協議就是一個關鍵的賣點。這一功能使得可以通過USB-C接口供電的設備範圍大大擴展
，而且也使得其成為被“能源焦慮症”困擾的智能手機提升充電功率的堅實支點。去年5月，USB-IF發布了新的USB PD 3.1標準，更是將USB-C支持的上限輸出功率從之前USB PD 3.0規定的100W，提升到了240W（48V @ 5A）！如果與2010年推出的7.5W的USB BC1.2比較，在十年間USB的電力傳輸能力增長達32倍！

而且USB-C中專門定義了用於PD協議傳輸的CC線路，負責在供電和受電設備之間協商電力協議，這就使得可編程電源PPS（Programmable Power Supply）的實現成為可能，也確保了基於USB-C的快充可以實現更高的能效。

可以說，與其他的接口相比，USB-C物理接口標準與數據傳輸標準以及USB PC功率傳輸標準相互支撐，協同推進
，成就了其今天穩固的江湖地位。

不過，所謂“能力越大
，責任越大”

，USB-Czaishujuhedianlichuanshushangnenglidetisheng，yedailailexindetiaozhan
，tebieshilaizikekaoxingyuwendingxingfangmiandetiaozhan。zheshiyinwei
，zhexiebiaozhunzaizhidingshibingweizhijieguidingbaohuUSB接口免受外部危害的具體方法，而在實際應用中，由於USB-C外形更小，連接密度更大

，在接口的電路保護方麵麵臨的壓力會更大，尤其是在靜電防護（ESD）和過熱保護兩方麵，必須有針對性的方案確保USB-C接口的可靠性。

圖2：與傳統的4針腳USB-A連接器相比
，USB-C連接器有24針，信號觸點間距僅為0.5mm

（圖源：Littelfuse）

構築全方位的ESD防護

我們先來看看ESD防護。USB-C連接器和電纜暴露於外部環境的電子電路中，難免會受到人的直接接觸或電弧等帶來的ESD衝擊，這種衝擊電壓可達30kV或更高，瞬間電流高達30A，這樣的高能量可以熔化矽和導線，導致元件完全失效。即使沒有造成這種“硬”傷害
，ESD引起的電流也可能導致“軟”故障

，包括邏輯器件的狀態變化、閂(shuan)鎖(suo)或(huo)不(bu)可(ke)預(yu)知(zhi)的(de)行(xing)為(wei)，這(zhe)就(jiu)會(hui)影(ying)響(xiang)數(shu)據(ju)傳(chuan)輸(shu)速(su)度(du)，導(dao)致(zhi)係(xi)統(tong)誤(wu)啟(qi)動(dong)
，或(huo)者(zhe)造(zao)成(cheng)一(yi)些(xie)潛(qian)在(zai)的(de)缺(que)陷(xian)，影(ying)響(xiang)元(yuan)器(qi)件(jian)的(de)可(ke)靠(kao)性(xing)或(huo)者(zhe)減(jian)少(shao)其(qi)使(shi)用(yong)壽(shou)命(ming)。因(yin)此(ci)，對(dui)於(yu)USB-C接口這種存在ESD高風險的“界麵”
，必須嚴密設防。

不過，對於USB-C接口來說，想要全麵設防ESD並不簡單，其麵臨著一些前所未有的挑戰：

與僅有4引腳的USB-A連接器相比
，USB-C接口的引腳數量達到了24條tiao
，而er尺chi寸cun又you被bei大da大da地di壓ya縮suo了le，因yin此ci保bao護hu元yuan件jian必bi須xu擁yong有you更geng緊jin湊cou的de外wai形xing。在zai這zhe樣yang的de情qing況kuang下xia，占zhan板ban麵mian積ji較jiao大da的de分fen立li保bao護hu元yuan件jian的de應ying用yong會hui受shou到dao限xian製zhi，具ju有you更geng高gao封feng裝zhuang密mi度du的de方fang案an（如TVS二極管陣列）就成了更理想的選擇。

與此同時
，這24個引腳（線路）的角色各不相同，對於ESD衝擊的防護要求也有很大的差別。比如對於電源傳輸線的ESD保護元件，額定電壓是一個很重要的指標；而對於數據線，為了支持高速率的數據傳輸，對於ESDfanghuyuanjiandedidianrongzhihuigengweimingan，zheshiyinweidianronghuiruohuachuanshudexinhao，dianrongrongzhiyuegaoduixinhaodeshuaijianzuoyonghuiyuemingxian，yincichuanshusulvyuegaodeshujujiekou
，yejiuxuyaogengdidianrongzhideESD抑製元件。

圖3：USB-C接口ESD防護解決方案

（圖源：Littelfuse）

圖3展示了一個典型USB-C接口的ESD防護解決方案，可以看到需要保護的線路包括USB 2.0、SuperSpeed、SBU、CC、Vbus五種，分別對應圖中的II、III
、IV、V四類情況。每一條線路的ESD防護要求都不同，而我們的解決方案卻要盡可能做得麵麵俱到。

如果我們分別針對每個線路的ESD防護規格，進行保護元件的選型
，這無疑是一個費時費力的過程。為了解決工程師的這個煩惱

，Littelfuse提供了一個完整的解決方案
，為每個線路的ESD匹配了合適的保護元件。下麵我們對這一方案做個細致地觀察。

USB 2.0線路

先來看對於USB 2.0線路的保護，這個引腳是USB-C為了兼容之前USB 2.0數據傳輸標準而專門保留的

，支持480Mbps的傳輸速度，其ESD防護需要滿足IEC 61000-4-2標準要求的8kV水平
，且需要具有較低的電容以滿足高速數據傳輸的要求。Littelfuse方案中，為此匹配的保護器件是SP3530單向TVS二極管，該器件可以安全地吸收高達22kV的ESD能量衝擊
，接近IEC 61000-4-2要求的3倍，而且不會衰減；同時
，0.3pF的低電容也可以盡可能地減少對信號轉換的幹擾。0201的SMD封裝外形也足夠小巧，不會占用太大的PCB麵積。

圖4：SP3530單向TVS二極管

（圖源：Littelfuse）

SuperSpeed線路

接下來我們來看看SuperSpeed線路，這幾個引腳是USB-C接口實現數十Gbps數據傳輸速率的關鍵，肯定需要一顆具有盡可能低電容的保護元件
，以免影響超高速數據傳輸的性能。因此，Littelfuse的電容僅為0.09pF的SP3213雙向TVS二極管陣列成為了理想選擇，它可以為超高速信號傳輸提供出色的信號完整性
，並提供12kV的ESD防護能力，安全地吸收重複性靜電放電衝擊

，且性能不會下降，還可以安全地耗散2A的8/20μs浪湧電流（IEC 61000-4-5第2版）。同時，由於采用緊湊的μDFN-2表麵貼裝封裝，滿足小型化的設計要求也不在話下。

圖5：SP3213雙向TVS二極管陣列

（圖源：Littelfuse）

SBU和CC線路

我們要考慮的第三種情況是供邊帶使用（SBU）和配置通道（CC）的線路，它們雖然也是信號傳輸通道，但是與USB 2.0和SuperSpeed線路相比，數據傳輸速率比較低
，因此可以選擇電容較高的TVS器件，以便在性能和成本上實現極佳的平衡。Littelfuse的SP1006單向TVS二極管陣列正好可以滿足這個要求，其同樣采用0201尺寸μDFN-2封裝
，可以安全吸收30kV的可重複性ESD接觸放電，並安全地耗散5A的8/20μS浪湧電流
，鉗位電壓很低。

圖6：SP1006單向TVS二極管陣列

（圖源：Littelfuse）

Vbus線路

與上麵四條信號線路相比
，Vbus電源線的ESD保護要求有些不同，在這裏使用的TVS二極管需要能夠承受比信號線保護器件更高的功率水平。根據USB PD標準的要求，Vbus線路上可以傳輸電壓高達20V，而普通的ESD保護器件通常隻能承受5V
、6V或者12V的電壓。Littelfuse的SPHV係列TVS二極管就是專為20V功率線路的保護應用而設計的，其200W的功率容量對於保護100W的Vbus線路顯然是遊刃有餘。SPHV係列TVS二極管同樣采用表麵貼裝封裝，可承受30kV的ESD衝擊，並通過了AEC-Q101車規認證。

圖7：SPHV和SPHV-C TVS二極管

（圖源：Littelfuse）

前文曾經提到，新的USB PD 3.1標準將支持的上限功率擴展到了240W
，相應地線路上的上限電壓也提升到了42V。麵對這一新變化，ESD器件的耐壓能力當然也要升級。為此
，Littelfuse的SMBJ TVS二極管可堪重用
，它具有高達600W的峰值額定功率，可以吸收高達30kV的ESD衝擊，表麵貼裝的封裝也確保了其足夠“纖細”的外形。

有了上述這些TVS二極管器件的全麵守護
，USB-C接口的ESD防護可以說是高枕無憂了。

不同以往的過熱保護

隨著USB-C支持的功率水平不斷升級，另一個可靠性風險也會增加
，這就是連接器插頭和插座的過溫（過熱）。

USB-C連接器互連密度高（引腳間距僅有0.5mm）
，作為電子設備與外界的接口，更容易受到汙垢和灰塵等雜質的汙染，從而導致電源與接地之間的電阻性故障。Vbus線路上承載的功率越高，USB連接器的過熱風險也就越大，這不僅可能會損壞連接器、電纜和連接端口中的元器件
，過高的溫度還可能會熔化連接器，甚至引發火災。

傳統的防止USB接口線纜過熱的方法，是在Vbus電源線上裝配一個PPTC可恢複式保險絲或者一個小型斷路器，它們被內置在連接器內部的一個PCB線路板上去監測可能帶來風險的溫升。

不過當功率提升到100Wyishangshi
，zhezhongfangfadeduanbanjiuxianxianchulaile。zhezhuyaoshiyinwei

，chuanlianzaidianyuanxianshangdezhexiebaohuyuanjianjuyouneizu
，jishijinyoujihaooudeneizu，zaigaogonglvdexianlushangyehuizaochengxianzhudegonglvsunhao，zhejiurangshebeizhizaoshangyingduiyuelaiyueyankedenenghaobiaozhundenandujiada。

此外

，使用PPTC可恢複式保險絲或者小型斷路器，開發者在小型化設計上的挑戰也會更大。比如
，一個60W充電器所需的PPTC，其占板麵積為就有3.2mm × 2.5mm，小型斷路器的外形會更大

；而當功率提升到100W以上時，這些保護元件的尺寸還會有顯著地增加。

因此，想要實現可靠的USB-C連接器過熱保護，必須有些新辦法。Littelfuse對此給出的解決方案就是獨特的setP™數字溫度指示器。

圖8：setP™溫度指示器

（圖源：Littelfuse）

與將保護元件串聯在Vbus電源線上的老辦法不同
，setP™溫度指示器是串聯在CC控製線路上的（如圖3中的I所示）。當該元件檢測到100°C以上的溫度時，其電阻會大幅增加，這時USB PD協議將高電阻解釋為源連接
、Vbus和接收器連接、負載之間的斷開連接
，會將Vbus線路停用，由此阻止過熱情況的加劇。當導致過熱的條件得到糾正
，setP™檢測到的溫度降至100°C以下時，其阻值會重置為10Ω左右的低阻狀態

，這時Vbus會重新通電。

圖9：setP™溫度指示器的電阻-溫度曲線

（圖源：Littelfuse）

很顯然，這種方案既可以保護100W或更高功率的係統，也不會因為串聯在電源線上的內阻造成功率損耗，可謂是一石二鳥。加之setP™溫度指示器采用2.0mm x 1.2mm的緊湊尺寸
，SMD的封裝與回流焊工藝兼容，因此其在未來功率更高的USB-C應用中是非常合適的解決方案。

本文小結

功能上兼收並蓄
，性能上不斷升級——憑借這兩招兒
，USB-C已經成為今天市場上炙手可熱的外設接口，沒有之一。

而伴隨著USB-C接jie口kou技ji術shu的de不bu斷duan迭die代dai升sheng級ji

，與yu之zhi相xiang配pei套tao的de電dian路lu保bao護hu技ji術shu也ye必bi須xu同tong步bu跟gen進jin
，這zhe樣yang才cai能neng以yi過guo硬ying的de可ke靠kao性xing和he安an全quan性xing，為wei終zhong端duan用yong戶hu提ti供gong一yi個ge性xing能neng不bu打da折zhe扣kou的de接jie口kou連lian接jie解jie決jue方fang案an，而er不bu是shi一yi個ge徒tu有youUSB-C其表的“樣子貨”。

針對這樣的需求，Littelfuse給出的解決方案不僅能夠覆蓋USB-C各個線路保護“個性化”的設計需求，還具有足夠的前瞻性和“提前量”
，緊跟USB新標準的步伐。

圖10：Littelfuse USB-C保護解決方案推薦產品一覽

（圖源：Littelfuse）

因此，麵對不斷升級的USB-C接口
，如果你正在考慮對USB-C接口的保護方案來一次全麵的升級，Littelfuse的這些解決方案應該正合你的胃口。

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