【導讀】USB Type-C（USB-C）電纜和連接器規范極大地簡化了實現互連和為數碼相機和超薄平板電腦等電子產品供電的方式（圖1）。該規范支持高達15W的USB-C充電應用，而USB-C功率傳輸（PD）將充電能力擴展至100W，包括各種可互換充電的設備。USB Type-C在系統保護方面帶來了新的挑戰。新連接器的間距比USB Micro-B小，增加了VBUS發生機械短路的風險。此外，由于USB PD具有高電壓，需要更強大的保護。最后，電子負載越來越復雜，需要加強ESD和電壓浪涌保護。此設計解決方案首先探討了USB Type-C PD架構以及與D+/D-數據信號保護相關的挑戰，然后提出了一種高度集成的2xSPDT開關，只需較少的BOM和PCB占用空間，就能夠攻克這些挑戰。
圖1. 數碼相機通過USB-C電纜連接到平板電腦
USB-C PD系統
圖2顯示了一個典型的便攜式電源管理設備前端，該設備可連接到USB-C電纜，并且由鋰離子(Li+)電池供電。 當存在VBUS時，它為充電器、系統和其余模塊供電，同時對電池充電。當VBUS斷開時，電池為系統供電。使用USB-C電纜時，CC1和CC2引腳決定端口連接、電纜方向、角色(role)檢測和端口控制。D+/D-線是標準的USB-C通信線，以480Mbps的速度處理數據，并受到D+/D-保護裝置的保護。PD控制器實現供電協議。
圖2. USB PD電源管理系統
保護挑戰
電源中出現電涌和靜電放電(ESD)很常見，可能會干擾或導致電子負載和設備損壞。ESD是由于靜電荷從人體轉移到電子電路引起的，這是手持電子設備面臨的一個大問題。浪涌可能是由閃電引起的，也可能是在靠近雷擊的地方鋪設的長電纜中引起的。開關或繼電器會在開啟和關閉操作期間引起浪涌。負載突降是通過切斷汽車上的電池連接而產生的浪涌。良好的數據線 保護IC應能提供足夠的保護，而不會顯著降低數據質量。
集成解決方案
MAX20334是一款2xSPDT開關，具有過壓保護功能，適用于便攜式設備（圖3），該IC旨在保護下游數據線免受高壓短路、ESD或浪涌事件的影響。該設備具有便攜式電子設備中高性能開關應用所需的低導通電容和低導通電阻。該IC具有內部正過壓和浪涌保護功能，可處理USB低/全/高速信號，并采用2.7V至5.5V電源供電。該IC采用12引腳(1.23mm x 1.63mm)晶圓級封裝(WLP)，可在-40°C至+85°C擴展溫度范圍內工作。
圖3. 具有擴展保護的2xSPDT開關
擴展保護
所有引腳均采用了ESD保護結構，以防止在處理和組裝過程中遭受高達±2kV(人體模型)的靜電放電。COMA和COMB(圖2和圖3)進一步受到高達±15kV(人體模型)、±15kV(IEC 61000-4-2中描述的氣隙放電方法)和±8kV(IEC61000-4-2中描述的接觸放電方法)的ESD保護，且不會造成損壞。ESD結構在正常運行和設備斷電時均可承受高ESD。在ESD事件之后，IC繼續工作，而不會發生閂鎖。該IC受到-30V至+45V(IEC61000-4-5)的浪涌保護和高達+20.5V的過壓保護。圖4將這種高度集成的擴展保護解決方案的PCB布局與提供純正電涌保護及較低OV和ESD保護的典型競爭產品進行了比較。后者需要額外的電路來滿足ESD/浪涌/OV規范要求，增加了BOM成本， 并且PCB占用空間擴增了5倍。
圖4. 擴展保護優勢
數據完整性
從圖5的眼圖可明顯看出，彎曲的藍線與禁止的紅色禁區保持接近最大(close-to-maximum)的距離，數據信號具有良好的完整性。保護IC的高帶寬使信號升降時間和抖動的下降幅度最小，從而產生良好的誤差容限，這對于通過USB一致性測試很重要。
圖5. D+/D-眼圖
結論
USB Type-C在數碼相機和超薄平板電腦等電子產品的互連、供電和保護方面帶來了新的挑戰，新連接器的間距比USB Micro-B小，增加了VBUS發生機械短路的風險。此外，由于USB PD具有高電壓，需要更強大的保護。最后，電子負載越來越復雜，需要加強ESD和電壓浪涌保護。本設計解決方案采用提供高達±15kV ESD保護、-30V至+45V浪涌保護和+20.5V過壓保護的增強型保護裝置，可單獨保護數據線，與集成度較低的裝置相比，能夠以更低的BOM和更小的PCB占用空間滿足ESD/Surge/OV規范要求。
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