一文解析USB Type-C接口全方位保护方案

jupitars · 发表于 2021-8-18 09:05:03

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[paragraph]USB Type-C 接口因其小型化，可正反插，支持高功率、高速数据传输等特点在消费类产品上得到越来越广泛的应用。
Type-C 有着强大的兼容性，除了保留 D+/D- 引脚支持 USB 2.0 数据传输外，还在规范定义上兼容其他协议标准的信号传输，例如对 DP 信号传输的支持。因此成为能够广泛连接智能手机、 PC、游戏主机、存储设备和扩展坞等绝大部分电子设备的标准化接口，实现数据传输和设备充电的统一。

现行主流 USB Power Delivery 3.0 最高可支持 20V/5A 的电力输出，即 100W 的充电功率（ 2021 年 5 月发布的 PD 3.1 进一步支持高达 48V/5A 的电力规格）。USB Type-C 接口除了可以进行基于 PD 规范的大功率充电外，还可以实现 DisplayPort 1.4 视频传输、Thunderbolt 4 等功能。因此，具有全功能 Type-C 接口的设备可以实现通过单一接口进行双向充电、视频输出等功能。

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图1 USB Type-C 接口引脚分布

USB Type-C 连接器外形小巧，在 8.3 x 2.5mm 的空间内实现了 24 个连接器引脚，具有很高的引脚密度，结构设计上还需要满足上万次的插拔应用。
相比早期版本的其他 USB 接口，Type-C 的 VBUS 引脚更容易由于异物或异常插拔与相邻引脚发生短路。由于 VBUS 的电压典型可能高达 20V ，与低压引脚之间（如CC、SBU、Tx/Rx 等）发生短接会造成严重后果。其次，Type-C 应用的电源路径需要具有大电流通流能力，对潜在的负载短路、过电流等危险做出有效防护。此外，作为电子设备的外接接口，ESD 和浪涌的侵害必须从系统层面加以重视，热插拔等原因造成的过电压也必须加以考虑。
总之，USB Type-C 功能强大，但在产品开发中，系统层面的鲁棒性设计也面临着诸多挑战。
USB Type-C 接口全方位保护方案
豪威集团旗下韦尔半导体针对 USB Type-C 应用推出了全面的解决方案。在确保不牺牲高功率、高速数据传输性能的前提下，为接口提供安全、可靠的防护，帮助设备制造商有效降低产品返修率，提升产品品质。

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图2 笔记本电脑 USB Type-C 接口功能框图

保护方案由三颗器件组成（对应图2 橙色部分），分别为 WS4684C-15/TR ，WS4683C-16/TR 和 WS3233Q-20/TR 。
01、WS4684C-USB 功率开关
为了抑制可能的高压浪涌，为充电接口提供可靠的保护，高性能的 OVP Load Switch 必不可少。WS4684C-15/TR ，支持 USB PD 的 20V/5A 规格，可实现笔记本电脑的快速、高功率充电。其 VBUS 等引脚可以持续耐受 29V 的直流电压。并且内部集成浪涌抑制电路，抑制能力高达 90V 。可对笔记本电脑等消费类电子产品的充电接口的功率通路起到高效防护，大大降低供电意外或消费者误操作对电子产品带来的损害。
主要应用：
USB Type-C VBUS 充电保护
特点及优势：
2.5~20V 输入电压范围，最大电流 5A ，满足 USB PD 3.0 最高功率要求
可编程过压保护，快速响应的反向电流保护，过温保护
小型化，1.65 x 2.67mm ， CSP-15L 封装

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图3 WS4684C 典型应用

02、WS4683C-USB 限流负载开关
笔记本电脑的 Type-C 接口通常需工作在 DRP 模式。出于对系统充放电的安全考虑，基于 UL62368/CB62368 的安规要求，VBUS 通路需要具备输出过流保护功能。
WS4683C-16/TR 输出支持 5V （器件 VBUS 侧管脚直流耐压高达 30V），最大 3.3A 的持续电流。在保证芯片可靠性的前提下，支持 USB PD 3.0 要求的 FRS 快开启功能。内部还集成了静电泄放通路（ IEC61000-4-2 Contact ±8KV ），减少了周边额外的保护器件，为制造商节省成本及 PCB 面积。

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图4 电流保护快速响应
主要应用：
USB Type-C VBUS 放电保护
特点及优势：
400mA~3.3A 可编程过流保护
快速响应的反向电流保护
支持 USB PD 3.0 协议要求的 FRS 功能
小型化，2.05 x 2.05mm , CSP-16L 封装

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图5 WS4683C 典型应用
03、WS3233Q-USB Type-C保护开关
如前所述，由于 USB Type-C 接口的功率和信号引脚最小间距仅有 0.5mm ，用户实际使用中因异物等原因，VBUS 会有和周边引脚短接的风险，为低压信号引脚及相关电路带来隐患。
韦尔半导体推出的过压保护开关，WS3233Q-20/TR 信号通路具备高达 800MHz 的 -3dB 带宽，在不影响高速信号完整性的情况下，实现 24V 的过压保护能力。在一颗芯片上，高压和高速性能不再互相妥协。此外，WS3233Q 内部还集成了 D+D- 通道的 ESD 泄放通路，达到 IEC61000-4-2 Contact ±8KV 标准。单颗芯片在不影响高速数据传输的基础上，提供过压保护和静电防护的集成解决方案。
应用：
USB Type-C CC/SBU 保护
特点及优势：
OVP Short-to-VBUS：24V
带宽 800MHz -3dB ，实现高耐压的同时，具有高带宽
低静态电流，70uA
QFN3*3-20L 通用封装

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图6 WS3233Q典型应用
WS4684C-15/TR、WS4683C-16/TR 和 WS3233Q-20/TR 的组合实现了对过压、过流、过温、浪涌、ESD 等各种常见干扰异常的保护和抑制，是业界最完善的 USB Type-C 接口保护方案之一。
三片保护方案也同时带来了系统设计的最大灵活性，可以针对设备接口功能定义类型全部或部分使用，以节省成本。