USB Type-C線纜熱保護的五個設計注意事項

如今的USB Type-C線纜允許消費者在功率高達100W的情況下為電池供電的便攜式產品充電。這種高功率、快速充電的能力減少了便攜式產品必須連接到電源線的時間。

100W容量對于USB線纜來說是相當大的功率。因此，線纜可能會因線纜故障而產生高熱積聚。連接器采用封閉式結構，針對針之間的間距較窄。 這些針腳的間距為0.5毫米，比USB Type-A連接器小五倍。

灰塵和其它污染物會導致電源和接地針腳之間出現阻性故障。機械故障，如引腳彎曲或絕緣層磨損，也可能導致阻性故障和過電流情況。這些故障可能導致過熱，導致線纜故障，并可能損壞正在充電的產品。

設計人員面臨的挑戰(zhàn)是如何在USB Type-C連接器的有限空間內實現熱保護。設計人員需要確保線纜的所有元件都能承受100W的充電功率，并且增加的熱保護不會將可用的充電功率降低到100W以下。

針對這些挑戰(zhàn)的解決方案是設計用于USB Type-C線纜連接器的數字溫度指示器(DTI)元件。 使用此元件可以避免線纜中的功率損耗，因為它位于線纜的配置通道(CC)中，而不是位于電源線(也稱為VBUS線)中。

此DTI元件是Littelfuse制造的PolySwitch setP數字溫度指示器。 其較小的表面安裝尺寸為2 mm x 1.2mm，比其它溫度感應器件小30%，并且可以輕松裝入USB插頭。 當周圍溫度達到一個特定值時，該器件會通過大幅增加其電阻來工作，并且使用該器件的電路關閉電源傳輸。

圖1顯示了兩個setP溫度指示器模型的電阻與溫度曲線。在室溫下，器件電阻小于10Ω。在+100°C左右時，電阻至少會上升30倍。

圖1：兩個setP數字溫度指示器的電阻與溫度的特性曲線，顯示溫度達到其閾值或指示溫度約為100°C時電阻的較大變化。

電路設計注意事項

在USB Type-C線纜的每個插頭上放置一個setP數字溫度指示器，以檢測其中一個或兩個連接器上的潛在故障。連接配置通道(CC)中的每個DTI。DTI利用USB-IF標準1定義的系統(tǒng)參數在達到DTI的跳閘溫度時導致電源關閉。

setP DTI是獨特的應用，因為它被放置在CC線路中，而不是在充電電源的路徑中。因此，setP DTI使充電電路獨立于電源;無論電源、充電器和接收器(正在充電的產品)之間達成的功率水平如何，DTI都能提供可靠的保護。

USB-IF標準定義了一個監(jiān)控電路，如圖2所示。根據在CC線路上測得的電壓水平，監(jiān)控源將知道何時連接或斷開接收器。

圖2：USB-IF標準中定義的電路，用于監(jiān)控CC線路上的電壓。由于針腳連接開路或CC線路中溫度指示器的電阻增大，引起監(jiān)控源輸出端(Rp連接到線纜的CC線路)的電壓升高，從而導致VBUS電壓從四個連接器引腳A9、A4、B4和B9上消失。Rd處的電壓表征了監(jiān)控源和負載之間通信的充電器功率水平。(來源：通用串行總線C型線纜和連接器規(guī)范。2.0版，2019年8月。圖4-5，第151頁)

如果控制源端的CC電壓達到標準中定義的水平，則VBUS針腳上的電源將被切斷。setP DTI電阻的增加將導致電壓升高。圖3顯示了USB Type-C插頭的針腳布局。針腳A5是CC線，而VBUS在四個針腳上：即A9，A4，B4和B9。 圖4顯示了DTI，一個連接器一個DTI，安裝在CC線中。

圖3: USB Type-C插頭針腳布局。CC針腳A5高亮顯示。來源：通用串行總線Type-C線纜和連接器規(guī)格。2.0版，2019年8月。圖2-2，第31頁。

圖4：在線纜配置通道(CC)中安裝數字溫度指示器。

溫度指示器的推薦位置

溫度指示器在連接器中的位置將決定傳感器檢測到的連接器針腳在故障情況下的溫度升高了多少。建議溫度指示器的位置距離連接器針腳不超過3 mm。

測試結果表明，將溫度指示器放置在距連接器針腳的位置，每遠離一毫米，連接器中的溫度將會降低5°C。例如，如果離針腳3 mm處的檢測器溫度升高到100°C，則距連接器3mm遠的溫度將降低15°C或至85°C。

因此，將溫度指示器放置在盡可能靠近連接器安裝針腳的位置，可提供最佳保護，防止因故障而導致的高溫上升。溫度指示器位置的建議布局如圖5所示。

圖5: USB-Type C連接器中溫度指示器的建議位置。溫度指示器應放置在距離連接器針腳3 mm的范圍內。

印刷電路板(PCB)布局和焊接建議

圖6顯示了溫度指示器的推薦焊料布局焊盤。 焊膏的最大厚度為0.25 mm。 為避免損壞器件，請在焊接過程中確保最高溫度不超過260°C。 還應使溫度上升和下降速度分別不超過3°C/秒和2°C/秒。 保持溫度高于217°C不超過150秒。

圖6：溫度指示器的推薦PCB布局焊盤。

PCB成型注意事項

容納PCB的連接器通常使用內部模具來保護PCB。聚丙烯材料是一種常見的模塑材料。使用聚丙烯時的模具注射壓力可達到400 psi。數字溫度指示器可承受普通的模具注射壓力。如果計劃使用其它成型材料，請仔細考慮成型壓力，以免對setP DTI施加物理約束。

設計驗證測試建議

設計者需要驗證保護電路在線纜達到特定溫度水平時是否能夠保護線纜。圖7顯示了一種測試配置。

圖7：測試設置，以驗證當連接器溫度達到設計極限時，CC通道中的溫度指示器會關閉VBUS。

熱室將提供不同的溫度。在室中用一個示波器和一個熱電偶來監(jiān)測溫度。驗證當達到溫度指示器的轉變溫度時，VBUS電壓是否降至低值。

冷卻熱室，當溫度降至溫度指示器的轉折溫度以下時，驗證VBUS電壓是否恢復到其工作水平。通過該測試和類似的設計驗證測試，設計團隊將能夠自信地將線纜過渡到制造階段。

通過USB Type-C線纜的電流高達100W，熱保護對于確保線纜堅固和安全至關重要。setP數字溫度指示器提供必要的溫度保護，同時不限制線纜充電功率或干擾USB通信協議。