USB-C 和 USB-C 供電提高了電壓和功率水平。與USB Micro-B相比，引腳間距更緊密的新型可逆連接器增加了短路的風險。再加上便攜式設備日益復雜，導致ESD、浪涌和過壓保護要求越來越高。在此設計解決方案中，我們提出了一種緊湊、功能齊全的保護IC，可以顯著降低BOM和PCB空間占用。

介紹

新的 USB Type-C （USB-C） 電纜和連接器規范極大地簡化了數碼相機和超薄平板電腦等電子產品的互連和供電方式（圖 1）。該規范支持高達 15W 的 USB-C 充電應用，USB-C 供電 （PD） 可將充電功率擴展到 100W，包括可互換充電的各種不同設備。USB Type-C在保護系統方面帶來了新的挑戰。新連接器的間距比USB Micro-B的間距小，這導致VBUS機械短路的風險增加。此外，由于與USB PD相關的高電壓，需要更強大的保護。最后，電子負載的復雜性不斷增加，需要增強ESD和電壓浪涌保護。該設計解決方案回顧了USB Type-C PD架構以及與D+/D-數據信號保護相關的挑戰。然后，它提出了一個高度集成的2 x SPDT開關，可以以最小的BOM和PCB占用來應對這些挑戰。

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，該設備配備連接到 USB-C 電纜并由鋰離子 （Li+） 電池供電。

當 VBUS 存在時，它會為充電器、系統和其余模塊供電。在此階段，電池充電。當 VBUS 斷開連接時，電池將為系統供電。使用 USB-C 電纜，CC1 和 CC2 引腳確定端口連接、電纜方向、角色檢測和端口控制。D+/D-線路是標準的USB-C通信線路，以480Mbps的速度處理數據，并受D+/D-保護設備保護。PD 控制器實現供電協議。

圖2.USB PD 電源管理系統。

保護挑戰

電源中的電涌和靜電放電 （ESD） 很常見，可能會干擾或損壞電子負載和設備。ESD是由靜電電荷從身體轉移到電子電路引起的，是手持電子設備的一大問題。浪涌可能是由雷電引起的，也可能是在雷擊附近鋪設的長電纜中引起的。開關或繼電器在開和關操作期間可能會導致浪涌。負載突降是通過切斷汽車上的電池連接而產生的浪涌。一個好的數據線保護IC應該提供足夠的保護，而不會顯著降低數據。

集成解決方案

例如，MAX20334是一款具有過壓保護功能的2 x SPDT開關，適用于便攜式設備（圖3）。該 IC 設計用于保護下游數據線免受高壓短路、ESD 或浪涌事件的影響。該器件結合了便攜式電子產品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。該器件可處理 USB 低速/全速/高速信號傳輸，采用 2.7V 至 5.5V 電源供電。該 IC 采用 12 焊球 （1.23mm x 1.63mm） 晶圓級封裝 （WLP），工作溫度范圍為 -40°C 至 +85°C。

圖3.2 x SPDT 開關，帶擴展保護。

擴展保護

所有引腳均采用ESD保護結構，以防止在處理和組裝過程中遇到高達±2kV（人體模型）的靜電放電。COMA和COMB（圖2和3）進一步防止高達±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，而不會損壞。ESD 結構可承受高 ESD，無論是在正常工作時還是在器件斷電時。ESD事件發生后，IC繼續工作，無需閂鎖。該IC具有-30V至+45V浪涌保護（IEC61000-4-5）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布局與提供僅正電涌保護以及較低OV和ESD保護的典型競爭器件進行了比較。后者將需要額外的電路來滿足ESD/浪涌/OV規范，從而導致更昂貴的BOM和5倍的PCB有效占用。

圖4.擴展保護優勢。

數據完整性

圖5中的眼圖一目了然地顯示了數據信號的良好完整性水平，因為彎曲的藍線與禁止的紅色區域保持接近最大距離。保護IC的高帶寬導致信號上升和下降時間和抖動的減速最小，從而產生良好的誤差余量，這對于通過USB一致性測試非常重要。

圖5.D+/D-眼圖。

結論

USB Type-C在互連，電源和保護我們的電子產品（如數碼相機和超薄平板電腦）方面帶來了新的挑戰。新連接器的間距比USB Micro-B小，導致VBUS機械短路的風險增加。此外，由于與USB PD相關的高電壓，需要更強大的保護。最后，電子負載的復雜性不斷增加，需要增強ESD和電壓浪涌保護。在該設計解決方案中，我們展示了具有高達±15kV ESD保護、-30V至+45V浪涌保護和+20.5V過壓保護的增強型保護器件可以單手保護數據線，并且與集成度較低的器件相比，滿足ESD/浪涌/OV規范，具有更低的BOM和更小的PCB有效面積占用。

審核編輯：郭婷