USB Type-C線纜熱保護(hù)的五個(gè)設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

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

100W容量對(duì)于USB線纜來說是相當(dāng)大的功率。因此，線纜可能會(huì)因線纜故障而產(chǎn)生高熱積聚。連接器采用封閉式結(jié)構(gòu)，針對(duì)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(huì)導(dǎo)致電源和接地針腳之間出現(xiàn)阻性故障。機(jī)械故障，如引腳彎曲或絕緣層磨損，也可能導(dǎo)致阻性故障和過電流情況。這些故障可能導(dǎo)致過熱，導(dǎo)致線纜故障，并可能損壞正在充電的產(chǎn)品。

設(shè)計(jì)人員面臨的挑戰(zhàn)是如何在USB Type-C連接器的有限空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)熱保護(hù)。設(shè)計(jì)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(hù)不會(huì)將可用的充電功率降低到100W以下。

針對(duì)這些挑戰(zhàn)的解決方案是設(shè)計(jì)用于USB Type-C線纜連接器的數(shù)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?yàn)樗挥诰€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(shù)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(yīng)器件小30%，并且可以輕松裝入U(xiǎn)SB插頭。 當(dāng)周圍溫度達(dá)到一個(gè)特定值時(shí)，該器件會(huì)通過大幅增加其電阻來工作，并且使用該器件的電路關(guān)閉電源傳輸。

圖1顯示了兩個(gè)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(shí)，電阻至少會(huì)上升30倍。

圖1：兩個(gè)setP數(shù)字溫度指示器的電阻與溫度的特性曲線，顯示溫度達(dá)到其閾值或指示溫度約為100°C時(shí)電阻的較大變化。

電路設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

在USB Type-C線纜的每個(gè)插頭上放置一個(gè)setP數(shù)字溫度指示器，以檢測(cè)其中一個(gè)或兩個(gè)連接器上的潛在故障。連接配置通道(CC)中的每個(gè)DTI。DTI利用USB-IF標(biāo)準(zhǔn)1定義的系統(tǒng)參數(shù)在達(dá)到DTI的跳閘溫度時(shí)導(dǎo)致電源關(guān)閉。

setP DTI是獨(dú)特的應(yīng)用，因?yàn)樗环胖迷贑C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(dú)立于電源;無論電源、充電器和接收器(正在充電的產(chǎn)品)之間達(dá)成的功率水平如何，DTI都能提供可靠的保護(hù)。

USB-IF標(biāo)準(zhǔn)定義了一個(gè)監(jiān)控電路，如圖2所示。根據(jù)在CC線路上測(cè)得的電壓水平，監(jiān)控源將知道何時(shí)連接或斷開接收器。

圖2：USB-IF標(biāo)準(zhǔn)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(dǎo)致VBUS電壓從四個(gè)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(fù)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(dá)到標(biāo)準(zhǔn)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(dǎo)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(gè)針腳上：即A9，A4，B4和B9。 圖4顯示了DTI，一個(gè)連接器一個(gè)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(shù)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(cè)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(cè)試結(jié)果表明，將溫度指示器放置在距連接器針腳的位置，每遠(yuǎn)離一毫米，連接器中的溫度將會(huì)降低5°C。例如，如果離針腳3 mm處的檢測(cè)器溫度升高到100°C，則距連接器3mm遠(yuǎn)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(hù)，防止因故障而導(dǎo)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(yīng)放置在距離連接器針腳3 mm的范圍內(nèi)。

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(qǐng)?jiān)诤附舆^程中確保最高溫度不超過260°C。 還應(yīng)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(xiàng)

容納PCB的連接器通常使用內(nèi)部模具來保護(hù)PCB。聚丙烯材料是一種常見的模塑材料。使用聚丙烯時(shí)的模具注射壓力可達(dá)到400 psi。數(shù)字溫度指示器可承受普通的模具注射壓力。如果計(jì)劃使用其它成型材料，請(qǐng)仔細(xì)考慮成型壓力，以免對(duì)setP DTI施加物理約束。

設(shè)計(jì)驗(yàn)證測(cè)試建議

設(shè)計(jì)者需要驗(yàn)證保護(hù)電路在線纜達(dá)到特定溫度水平時(shí)是否能夠保護(hù)線纜。圖7顯示了一種測(cè)試配置。

圖7：測(cè)試設(shè)置，以驗(yàn)證當(dāng)連接器溫度達(dá)到設(shè)計(jì)極限時(shí)，CC通道中的溫度指示器會(huì)關(guān)閉VBUS。

熱室將提供不同的溫度。在室中用一個(gè)示波器和一個(gè)熱電偶來監(jiān)測(cè)溫度。驗(yàn)證當(dāng)達(dá)到溫度指示器的轉(zhuǎn)變溫度時(shí)，VBUS電壓是否降至低值。

冷卻熱室，當(dāng)溫度降至溫度指示器的轉(zhuǎn)折溫度以下時(shí)，驗(yàn)證VBUS電壓是否恢復(fù)到其工作水平。通過該測(cè)試和類似的設(shè)計(jì)驗(yàn)證測(cè)試，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)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(dá)100W，熱保護(hù)對(duì)于確保線纜堅(jiān)固和安全至關(guān)重要。setP數(shù)字溫度指示器提供必要的溫度保護(hù)，同時(shí)不限制線纜充電功率或干擾USB通信協(xié)議。