USB Type-C 接口因其小型化，可正反插，支持高功率、高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)忍攸c在消費類產(chǎn)品上得到越來越廣泛的應(yīng)用。
Type-C 有著強大的兼容性，除了保留 D+/D- 引腳支持 USB 2.0 數(shù)據(jù)傳輸外，還在規(guī)范定義上兼容其他協(xié)議標準的信號傳輸，例如對 DP 信號傳輸?shù)闹С�。因此成為能夠廣泛連接智能手機、 PC、游戲主機、存儲設(shè)備和擴展塢等絕大部分電子設(shè)備的標準化接口，實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸和設(shè)備充電的統(tǒng)一。
現(xiàn)行主流 USB Power Delivery 3.0 高可支持 20V/5A 的電力輸出，即 100W 的充電功率（ 2021 年 5 月發(fā)布的 PD 3.1 進一步支持高達 48V/5A 的電力規(guī)格）。USB Type-C 接口除了可以進行基于 PD 規(guī)范的大功率充電外，還可以實現(xiàn) DisplayPort 1.4 視頻傳輸、Thunderbolt 4 等功能。因此，具有全功能 Type-C 接口的設(shè)備可以實現(xiàn)通過單一接口進行雙向充電、視頻輸出等功能。
圖1 USB Type-C 接口引腳分布
USB Type-C 連接器外形小巧，在 8.3 x 2.5mm 的空間內(nèi)實現(xiàn)了 24 個連接器引腳，具有很高的引腳密度，結(jié)構(gòu)設(shè)計上還需要滿足上萬次的插拔應(yīng)用。
相比早期版本的其他 USB 接口，Type-C 的 VBUS 引腳更容易由于異物或異常插拔與相鄰引腳發(fā)生短路。由于 VBUS 的電壓典型可能高達 20V ，與低壓引腳之間（如CC、SBU、Tx/Rx 等）發(fā)生短接會造成嚴重后果。其次，Type-C 應(yīng)用的電源路徑需要具有大電流通流能力，對潛在的負載短路、過電流等危險做出有效防護。此外，作為電子設(shè)備的外接接口，ESD 和浪涌的侵害必須從系統(tǒng)層面加以重視，熱插拔等原因造成的過電壓也必須加以考慮。
總之，USB Type-C 功能強大，但在產(chǎn)品開發(fā)中，系統(tǒng)層面的魯棒性設(shè)計也面臨著諸多挑戰(zhàn)。
USB Type-C 接口全方位保護方案
豪威集團旗下韋爾半導體針對 USB Type-C 應(yīng)用推出了全面的解決方案。在確保不犧牲高功率、高速數(shù)據(jù)傳輸性能的前提下，為接口提供安全、可靠的防護，幫助設(shè)備制造商有效降低產(chǎn)品返修率，提升產(chǎn)品品質(zhì)。
圖2 筆記本電腦 USB Type-C 接口功能框圖
保護方案由三顆器件組成（對應(yīng) 圖2 橙色部分），分別為 WS4684C-15/TR ，WS4683C-16/TR 和 WS3233Q-20/TR 。
01、WS4684C-USB 功率開關(guān)
為了抑制可能的高壓浪涌，為充電接口提供可靠的保護，高性能的 OVP Load Switch 必不可少。WS4684C-15/TR ，支持 USB PD 的 20V/5A 規(guī)格，可實現(xiàn)筆記本電腦的快速、高功率充電。其 VBUS 等引腳可以持續(xù)耐受 29V 的直流電壓。并且內(nèi)部集成浪涌抑制電路，抑制能力高達 90V 。可對筆記本電腦等消費類電子產(chǎn)品的充電接口的功率通路起到高效防護，大大降低供電意外或消費者誤操作對電子產(chǎn)品帶來的損害。
主要應(yīng)用：
• USB Type-C VBUS 充電保護
特點及優(yōu)勢：
• 2.5~20V 輸入電壓范圍，大電流 5A ，滿足 USB PD 3.0 高功率要求
• 可編程過壓保護，快速響應(yīng)的反向電流保護，過溫保護
• 小型化，1.65 x 2.67mm ， CSP-15L 封裝
圖3 WS4684C 典型應(yīng)用
02、WS4683C-USB 限流負載開關(guān)
筆記本電腦的 Type-C 接口通常需工作在 DRP 模式。出于對系統(tǒng)充放電的安全考慮，基于 UL62368/CB62368 的安規(guī)要求，VBUS 通路需要具備輸出過流保護功能。
WS4683C-16/TR 輸出支持 5V （器件 VBUS 側(cè)管腳直流耐壓高達 30V），大 3.3A 的持續(xù)電流。在保證芯片可靠性的前提下，支持 USB PD 3.0 要求的 FRS 快開啟功能。內(nèi)部還集成了靜電泄放通路（ IEC61000-4-2 Contact ±8KV ），減少了周邊額外的保護器件，為制造商節(jié)省成本及 PCB 面積。
圖4 電流保護快速響應(yīng)
主要應(yīng)用：
• USB Type-C VBUS 放電保護
特點及優(yōu)勢：
• 400mA~3.3A 可編程過流保護
• 快速響應(yīng)的反向電流保護
• 支持 USB PD 3.0 協(xié)議要求的 FRS 功能
• 小型化，2.05 x 2.05mm , CSP-16L 封裝
圖5 WS4683C 典型應(yīng)用
03、WS3233Q-USB Type-C保護開關(guān)
如前所述，由于 USB Type-C 接口的功率和信號引腳小間距僅有 0.5mm ，用戶實際使用中因異物等原因，VBUS 會有和周邊引腳短接的風險，為低壓信號引腳及相關(guān)電路帶來隱患。
韋爾半導體推出的過壓保護開關(guān)，WS3233Q-20/TR 信號通路具備高達 800MHz 的 -3dB 帶寬，在不影響高速信號完整性的情況下，實現(xiàn) 24V 的過壓保護能力。在一顆芯片上，高壓和高速性能不再互相妥協(xié)。此外，WS3233Q 內(nèi)部還集成了 D+D- 通道的 ESD 泄放通路，達到 IEC61000-4-2 Contact ±8KV 標準。單顆芯片在不影響高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)幕A(chǔ)上，提供過壓保護和靜電防護的集成解決方案。
應(yīng)用：
• USB Type-C CC/SBU 保護
特點及優(yōu)勢：
• OVP Short-to-VBUS：24V
• 帶寬 800MHz -3dB ，實現(xiàn)高耐壓的同時，具有高帶寬
• 低靜態(tài)電流，70uA
• QFN3*3-20L 通用封裝
WS4684C-15/TR、WS4683C-16/TR 和 WS3233Q-20/TR 的組合實現(xiàn)了對過壓、過流、過溫、浪涌、ESD 等各種常見干擾異常的保護和抑制，是業(yè)界完善的 USB Type-C 接口保護方案之一。
三片保護方案也同時帶來了系統(tǒng)設(shè)計的大靈活性，可以針對設(shè)備接口功能定義類型全部或部分使用，以節(jié)省成本。 |
