加強(qiáng)移動應(yīng)用中USB連接器的過壓保護(hù)

1. 前言

USB Type-C是一種USB接口外形標(biāo)準(zhǔn)，擁有比Type-A及Type-B均小的體積，既可以應(yīng)用于PC（主設(shè)備）又可以應(yīng)用于外部設(shè)備（從設(shè)備，如手機(jī)）的接口類型。USB Type-C有4對TX/RX分線，2對USBD+/D-，一對SBU，2個CC，另外還有4個VBUS和4個地線。

USB Type-C? 正在改變我們連接和使用設(shè)備的方式。隨著 USB Type-C 連接器通過 USB Power Delivery (USB PD) 獲得更高電壓，我們需要包括更高級別的保護(hù)，以保護(hù)關(guān)鍵系統(tǒng)組件。

要考慮的一個因素是過壓保護(hù) (OVP)，它可以防止系統(tǒng)中可能發(fā)生的潛在短路。OVP 的主要目的是防止 USB 2.0 數(shù)據(jù)線、配置通道 (CC) 引腳和 USB Type-C 連接器中的邊帶使用 (SBU) 線之間的 VBUS 短路。

連接器的可翻轉(zhuǎn)性對最終用戶來說具有許多優(yōu)勢，但連接器的設(shè)計帶來了新的挑戰(zhàn)，包括更高的引腳數(shù)和更小的尺寸，以及減小的引腳間距，這可能會帶來破壞內(nèi)部電路的新情況。這種風(fēng)險在智能手機(jī)和平板電腦等移動應(yīng)用程序中具有特別重要的意義。USB Type-C 連接器或插頭受潮氣或夾在針腳中的碎屑影響，可能會導(dǎo)致跨 USB 2.0 數(shù)據(jù)線的 VBUS 針腳短路。

2.加強(qiáng)USB連接器保護(hù)措施

圖 1 顯示了濕氣在 USB Type-C 連接器中積聚的情況。存在的濕氣會導(dǎo)致 VBUS 電源引腳和 USB 2.0 數(shù)據(jù)線短路。當(dāng)開關(guān)閉合開始數(shù)據(jù)傳輸時，來自 VBUS 的電壓將只施加到 USB 2.0 數(shù)據(jù)線。在這種情況下，沒有 OVP 的解決方案會將開關(guān)后面的敏感系統(tǒng)組件暴露在數(shù)據(jù)線上的更高電壓下。

圖 1：不帶 OVP 的傳統(tǒng) USB 開關(guān)

智能手機(jī)中快速充電實(shí)現(xiàn)的更高輸入電壓允許系統(tǒng)中 VBUS 上存在更高電壓，從而更快地為電池充電。當(dāng)存在更高的充電電壓時，數(shù)據(jù)線之間的 VBUS 短路可能會損壞關(guān)鍵組件，例如未達(dá)到更高充電電壓額定值的處理器。

不合規(guī)的 USB 電纜或電源適配器也可能引起過壓事件的擔(dān)憂。額定值不支持快速充電或非 USB 充電實(shí)施的電纜可能會受到過壓事件的影響，或者在任何 USB PD 協(xié)商開始之前提供 20V 的適配器。

對于所有可能損壞系統(tǒng)的潛在情況，是否有可用的解決方案來阻止過壓事件？

所述TS5USBC412對1的USB 2.0開關(guān)最多可支持24V OVP為C型USB端口（或傳統(tǒng)的USB端口），保護(hù)需要更高電壓充電從故障狀況的保護(hù)的應(yīng)用程序。OVP 功能旨在保護(hù)開關(guān)后面的敏感系統(tǒng)組件，這些組件在連接器上的 D+ 和 D- 引腳之間的 VBUS 短路時無法幸免。

回顧之前 USB Type-C 連接器上存在濕氣的示例，如果在連接器和系統(tǒng)的其余部分之間包含 TS5USBC41，會發(fā)生什么情況？如果發(fā)生過壓事件，TS5USBC41 將打開所有開關(guān)以阻止 20V 電壓到達(dá)組件，從而防止對系統(tǒng)造成損壞。 

圖 2：TS5USBC41 在過壓事件期間保護(hù)系統(tǒng)

有兩個版本的 TS5USBC41 可用：

· TS5USBC412（可支持24V OVP） 

· TS5USBC410（可支持20V OVP）

這兩款器件均采用小型 1.62mm x 1.24mm 晶圓芯片級封裝 (WCSP)，引腳對引腳兼容，非常適合解決方案尺寸小是關(guān)鍵因素的移動應(yīng)用。

TS5USBC41 還針對低功耗進(jìn)行了優(yōu)化，可實(shí)現(xiàn) 10μA 的有源電流消耗，從而在智能手機(jī)和平板電腦應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)更長的電池壽命。

TS5USBC41 中包含的另一個關(guān)鍵特性是斷電保護(hù)。當(dāng)器件斷電或電源電壓 (V CC ) 為 0V 時，輸入/輸出 (I/O) 保持高阻態(tài)，防止錯誤電壓到達(dá)系統(tǒng)并在系統(tǒng)上電時保持隔離. 這是保護(hù)的另一個好處，因?yàn)?TS5USBC41 始終在活動或關(guān)閉模式下為連接到設(shè)備的關(guān)鍵系統(tǒng)組件增加保護(hù)級別。

TS5USBC41 的兩個版本并不是 TI 提供的唯一 OVP USB 開關(guān)。引腳對引腳變體 TS5USBC400 和 TS5USBC402 與 TS5USBC41 共享相同的架構(gòu)，但將分別提供高達(dá) 16V 和 20V 的 OVP。TS5USBC400 適用于不需要完整 20V 保護(hù)的成本敏感項目或?qū)嵤?

如果 USB 連接器和系統(tǒng)的其余部分之間沒有保護(hù)，則過壓事件可能會損壞關(guān)鍵系統(tǒng)組件。這在智能手機(jī)中尤其重要，因?yàn)榭焖俪潆妼?shí)施可能會在 VBUS 上存在更高的電壓。TI 現(xiàn)已提供可用于保護(hù) USB Type-C 端口以及傳統(tǒng) USB 或 Micro-B 端口的解決方案。