Universal Seral BUS（USB）是一種無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因其簡易便攜性、傳輸速率快和充電功能強而應用廣泛。如今，許多流行的電子設(shè)備，如智能手機、智能手表、耳機、游戲機、WIFI適配器、平板電腦和筆記本電腦，都至少具備一個USB端口。以前每個設(shè)備都需要一個專用充電器，因此在旅行時需要攜帶多個充電器。然而引入USB 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其USB端口為多個設(shè)備充電。

雖然USB-PD可以方便地使用單根電纜為多個設(shè)備充電，但增強的電力傳輸能力也帶來了更高的風險。隨著最新的USB-PD規(guī)格支持通過兼容USB電纜提供高達240W的功率傳輸，遭遇瞬態(tài)過電壓和浪涌的可能性也相應增加。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提供強大的保護措施，以防止ESD和浪涌帶來的危險。本文詳細介紹了降低風險并保護USB-PD中的VBUS線（電源線）的保護解決方案，確保USB Type-C端口和連接的設(shè)備在供電能力增強的情況下安全可靠地運行。

什么是 USB-PD？

USB-PD是一種基于 USB Type-C標準構(gòu)建的先進快速充電技術(shù)，它基于充電規(guī)范運行，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，以及如何在供電過程中識別和管理這些設(shè)備。USB-PD的一個關(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USB Type-C連接器上的專用通信通道進行通信。這可以讓設(shè)備僅獲得所需的功率，防止過度充電或充電不足的問題。

1. USB Power Delivery規(guī)格

由USB實施者論壇（USB-IF）設(shè)計的USB供電（USB-PD）規(guī)范已經(jīng)發(fā)展了四個版本，逐步增強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為標準功率范圍（SPR）引入了四個固定電壓電平（5V、9V、15V、20V），具有3A或5A的靈活電流選項。這種組合實現(xiàn)了更多通用的充電選項，功率范圍從0.5W到100W不等。USB-PD 3.0進一步擴展了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提供了更大的動態(tài)性和靈活性，但大型設(shè)備對更高功率和更快充電的需求不斷增長，因此需要USB-PD 3.1具有擴展功率范圍（EPR）。3.1修訂版采用了28V、36V和48V的更高電壓，當選擇5A為最大電流選項時，最大功率輸出分別為140W、180W和240W。

2. 使用TDS的VBUS保護

USB-PD規(guī)范允許USB Type-C在主機和外圍設(shè)備都支持USB-PD并使用兼容的USB Type-C電纜時，使用標準功率范圍提供高達100W的功率，使用擴展功率范圍提供高達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USB Type-C接口的VBUS免受ESD、瞬態(tài)過壓和浪涌事件的影響至關(guān)重要，如圖1所示。增強對瞬態(tài)事件的屏蔽對于保護電子設(shè)備內(nèi)部的集成電路(IC)是必要的，因為這些IC極易受到ESD和浪涌的損壞。保護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時間的ESD保護器件。此外，VBUS線路保護裝置需要具有高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進行VBUS保護

? ? ? 湖南靜芯半導體提供各種TDS產(chǎn)品系列，以保護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，同時伴隨著動態(tài)電阻的上升。與反向擊穿電壓相比，較高的動態(tài)電阻會導致鉗位電壓顯著升高。然而溫度也是一個不可忽視的關(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增加，而高鉗位電壓可能最終導致熱失控問題。

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體場效應晶體管（MOSFET）進行浪涌電流泄放，以觸發(fā)電路作為主要鉗位元件。這整個過程就像一個電壓控制開關(guān)。如圖3所示的觸發(fā)電路不斷偵測受保護端口的電壓，當檢測EOS事件時激活內(nèi)置的MOSFET。觸發(fā)電路的設(shè)計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TDS時，鉗位電壓也不會像傳統(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體場效應晶體管進行浪涌電流泄放，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。

TDS的優(yōu)點

湖南靜芯半導體的TDS具有顯著的性能優(yōu)勢，可保護USB-PD VBUS線路免受ESD和浪涌事件的影響。一個優(yōu)點是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，直到達到最大峰值脈沖電流。TDS中的MOSFET的導通電阻與峰值脈沖電流成反比。因此，導通電阻和峰值脈沖電流的乘積即鉗位電壓，其在整個范圍內(nèi)幾乎保持恒定，這帶來了顯著的優(yōu)勢。在通過USB-PD充電的同時保護高壓應用，將損壞主機和外圍設(shè)備的風險降至最低。

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，它為系統(tǒng)中的其他組件創(chuàng)造了更大的安全余量。當USB-PD規(guī)范允許USB Type-C充電高達20V至48V時，較低的鉗位電壓是ESD保護設(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

? ? ? 另一個優(yōu)點溫度變化對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的鉗位電壓在整個工作溫度范圍內(nèi)保持穩(wěn)定（圖6），這個優(yōu)異特性能保護USB-PD、傳感器在惡劣環(huán)境中長時間工作。

圖6 不同溫度下TDS和TVS二極管的鉗位電壓

? ? ? 以下為TDS的優(yōu)點總結(jié)：

1. 全面的電壓范圍覆蓋范圍

TDS保護所有標準電壓選項(5V、9V、15V、20V)這些選項在USB PD 2.0/3.0規(guī)范中定義，并擴展到USB PD 3.1規(guī)范中引入的三個更高電壓選項(28V、36V、48V)。它適用于USB-PD中使用的各種電壓，包括標準和擴展功率范圍。

2. 增強的保護能力

TDS提供強大的ESD和浪涌保護，保護敏感電子元件免受損壞。TDS產(chǎn)品組合提供高達IEC 61000-4-5標準1級的浪涌抗擾度和IEC 61000-5 ESD標準4級以上的抗擾度。

3. 高耐用性

與傳統(tǒng)保護器件不同，TDS表現(xiàn)出卓越的耐用性。它們在室溫到高溫下保持一致的性能，這是傳統(tǒng)分立TVS二極管所無法比擬的。

4. 較低的鉗位電壓和較高的峰值脈沖電流

利用TDS進行串聯(lián)和并聯(lián)連接，可以在特定應用中實現(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)連接可以實現(xiàn)更高的觸發(fā)電壓，以此防護更高電源電壓系統(tǒng)。除此之外，兩顆TDS反相串聯(lián)連接可以實現(xiàn)受保護端口的正負浪涌脈沖防護。因此TDS具有極高的靈活性，以滿足不同應用場景的需求。

• 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。如果應用需要的特定鉗位電壓大于單個TDS提供的值，可以串聯(lián)多個TDS。以48V VBUS應用為例，使用ESTVS2200DRVR和ESTVS3300DRVR串聯(lián)的組合，您可以實現(xiàn)更低的鉗位電壓和相同級別的保護，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，以滿足應用領(lǐng)域的需求。在l_PP為35A時達到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ESTVS2200DRVR并聯(lián)連接的V_CLAMP和l_PP波形

? ? ? 如果任何USB-PD應用需要更高的浪涌保護，則可以通過并聯(lián)實現(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是一種功能強大的多功能接口，可提供高達100W的充電功率，在擴展功率范圍內(nèi)可以達到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的使用壽命和運行穩(wěn)定，高效的ESD保護和浪涌保護至關(guān)重要。湖南靜芯半導體的TDS產(chǎn)品可有效應對這些威脅，其緊湊的尺寸和多功能性使其成為保護USB-PD應用中的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)品時為消費者提供持續(xù)可靠的體驗。

靜芯公司推出的系列TDS芯片具有接近理想狀況的ESD和EOS保護特性，可以廣泛應用于USB/雷電接口、工業(yè)機器人、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。目前公司推出來ESTVS2200DRVR、ESTDS2211P、ESTVS3300DRVR、ESTDS3311P等型號，歡迎客戶前來咨詢選購。