实现更好的USB-C电缆的故障检测设计方法

shuszhao · 发表于 2019-1-20 09:05:57

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无线设备用户长期以来的首选就是能够快速充电。同时，他们不愿担心与快速充电的较高功率水平相关的潜在危险。带USB连接器的电缆最常用于这些充电应用。
无线设备用户长期以来的首选就是能够快速充电。同时，他们不愿担心与快速充电的较高功率水平相关的潜在危险。带USB连接器的电缆最常用于这些充电应用。

传统上，聚合物正温度系数（PPTC）装置或微型断路器已被设计到连接器中，为电缆提供过热保护。随着USB-Type-C（USB-C）和USB供电（USB-PD）规范的发展以及它们支持的更高功率水平（高达100 W），必须重新审视这些解决方案。

具有不同版本USB电缆和连接器的充电器多年来一直用于为各种移动设备和可穿戴设备(如移动电话、平板电脑和笔记本电脑)充电。许多消费者都有多种类型的电缆，用于充电和数据传输，这些电缆是从他们多年来购买的所有设备中获得的。今天，消费者希望电缆能够在适当的功率水平上为各种设备充电，并支持更高的数据传输速度。这使得许多制造商接受了USB-C标准，该标准于2014年8月首次发布。

充电基础知识
在任何充电系统中，三个设备必须协同工作：正在充电的设备，电缆和充电器。 USB-C电缆配有一个或多个对称（因此，可逆）24针连接器。 USB-C充电器的一端有一个交流插头（用于插入墙上插座），另一端有USB-C连接器的电缆（用于插入要充电的设备）或USB-C输出端口允许插入USB-C电缆（图1）。

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图1 USB-C输出端口
从保护的角度来看，USB-C电缆必须能够承载适当的电压和电流。对于带有隔离或固定电缆的充电器，电缆必须能够处理充电器的最大电压输出。两端都有C型插头的电缆必须能够处理21V和至少3A。包含特殊电子标记IC的电缆可以携带5A电流。任何放置在电源路径上的设备，特别是保护装置，也必须能够承受这些电压和电流水平。

充电损坏的根源
有两个因素会使 USB-C电缆容易受损。第一个因素是这些电缆在使用具有非常紧密的引脚间距的连接器时必须承载的高功率，这增加了可能导致热事件的故障风险。第二个因素是连接器易受污染以及相关的不受控制的过热风险。当灰尘、金属颗粒、头发或其他碎屑卡在USB-C型电缆连接器上或连接器引脚变形时，可能会造成从电源线到地面的电阻故障。这些电阻性故障只增加极小的电流，就会引起危险的温升。导致了电缆和设备的损坏情况(图2)

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图2 USB-C连接器的电阻故障可能会损坏电缆和正在充电的设备.

保护USB电缆免于过热的传统方法包括在VBUS电源线上找到PPTC设备或微型断路器（也称为热断路器）。所选择的器件将被放置在连接器内部的印刷电路板上，以感测由电阻性故障引起的温度升高。但是，使用这种方法，当试图保护高达100W的功率时，可能会给电源设计工程师带来一些挑战。

PPTC和微型断路器都会导致功率损耗，使得电源制造商更难满足强制性的效率要求。也很难将任何一种装置安装在连接器的封闭范围内。例如，适合保护60W充电器的PPTC通常有1210(3.2×2.5毫米) 的占位面积，而小型断路器往往更大。用于保护100 W的PPTC和微型断路器需要更大一些。最后，微型断路器具有相对较弱的机械结构，其双金属材料在电缆组装过程中可能发生变形，这将阻止微型断路器在加热故障期间提供保护。

一种新的保护方法
解决这些缺点的一种方法是在USB-C插头的通信通道(CC)中放置一种不同类型的保护设备，而不是在VBUS线路上。最新的设备设计，以保护USB-C型电缆免受高温条件的影响是紧凑的PolySwitch setP数字温度指示器(图3)。setP感觉到温度升高，然后“警告”系统关闭电源。
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图3 PolySwitch setP数字温度指示器有助于保护USB Type-C插头免于过热。它们的设计符合USB Type-C的规格，甚至可以帮助保护最高水平的USB供电。

如前所述，当连接器因污染而发生故障时，它会导致电缆和与其相连的移动设备的温度上升到危险的水平。但是，当setP数字温度指示器置于CC线上时，当它检测到高于100°C的温度时，它会从低电阻状态切换到高电阻状态（图4）。这种增加的电阻导致CC线上的电压增加超过USB实施者论坛（USB-IF）定义的值，用于确定源和接收器是否分离。

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图4 setP数字温度指示器的电阻与温度曲线

充电系统假定电缆已经脱离，因为电压高于前面提到的指定值，所以充电系统通过VBUS线路关闭电源。这可以防止连接器，电缆和被充电的设备过热。一旦用户断开电缆并从连接器中清除碎屑，电缆就可以恢复正常操作。

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图5微型断路器，SMD和setP器件的尺寸比较

凭借紧凑的0805（2.0×1.2 mm）占位面积，setP器件比用于此应用的大多数其它解决方案至少小30％（图5）。它们坚固的物理结构使其能够可靠地承受现代电缆组装和成型操作。它们非常适用于USB Type-C充电电缆，USB供电充电电缆和带有USB Type-C电缆的充电器。

USB-C电缆为移动设备所有者提供了一种快速，简单的方式来为设备充电和传输数据。现在，随着过热保护新方法的发展，他们可以确信该过程也将更加安全。

侧边栏：充电回放
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第一部手机（与在发动机运转时从车辆电气系统中获取电力的“车载电话”相比）是在三十多年前推出的。早期采用者很快发现，为他们充电是一个耗时且有时有风险的程序。其中第一个是像砖一样大小，由镍镉电池供电的摩托罗拉DynaTAC 8000X。最初的价格接近4,000美元，重量为1.75磅，8000×需要10小时的连续充电才能提供30分钟的通话时间和6个小时的待机时间。

另一种是设计用于在一小时内为8000X充电的笨重台式充电器，很快因电池电池过热而变得臭名昭著，导致电池加速损坏（限制充放电循环次数），有时会使电池短路并需要更换电池。

如今，与上世纪80年代相比，充电硬件设计者和消费者对手机和其他无线设备的期望要高得多，但过热的危险仍可能与充电过程有关。