今天的消費者已經迅速依賴采用 USB-C 或 USB-Type C 通信接口標準的移動設備——從智能手機和平板電腦到可穿戴設備和筆記本電腦。USB 端口還兼作大多數此類設備的快速充電端口。因此，設計針對靜電放電 (ESD) 和過熱條件的穩健保護從未像現在這樣重要。

USB 實施者論壇 (USB-IF) 通過四次重大修訂升級了該標準。1 它于 1996 年首次標準化，并一直在以更高的速度發展，并允許更多的電力承載能力。USB 標準從 1.0 版開始，一直到 2.0 版、3.x 版，目前到第 4 版、USB4。表 1列出了從 2.0 到 USB4 的版本，并顯示了每個版本的最大吞吐量如何大幅增加。

表 1. USB 標準的演變顯示數據傳輸速率的提高。（來源：Littelfuse, Inc.）

為了處理更高的數據傳輸速率和更高的功率傳輸，USB Type-C 電纜和連接器標準已更新至修訂版 2.1 2，USB-PD（電力傳輸）標準已更新至修訂版 3.1。圖 1顯示了可以實現增強型 USB 功能集的 Type-C 連接器。PD 版本允許通過 USB 接口對設備進行充電和供電。最大功率容量已從 2.5 W (5 V @0.5A) 增加到 100 W (20 V @ 5A)，目前擴展功率范圍為 240 W (48 V @ 5A)。更高的功率容量將為 USB-C 開啟新的供電和充電應用，例如游戲筆記本、擴展塢、4K 顯示器和一體機。

圖 1：USB Type-A 和 Type-C 連接器。與 Type-A 連接器的 4 針相比，Type-C 連接器有 24 針。Type-C 連接器的信號觸點間距為 0.5 mm。。（來源：Littelfuse, Inc.）

對產品可靠性的挑戰

雖然不斷發展的標準提高了數據傳輸速率并增加了充電功率，但這些標準并未直接規定保護 USB 接口免受外部危害的具體方法。本文將介紹消除 ESD 和過熱條件導致故障可能性的方法。這些技術對于確保產品更可靠、更強大至關重要。

保護 USB 端口免受 ESD 影響

通過電纜和連接器暴露于外部環境的電子電路（例如 USB 端口）是 ESD 的潛在目標。ESD 沖??擊可以通過人的直接接觸或通過空氣（如果能量源對電子電路產生電弧）發生。ESD 沖??擊可高達 30 kV 或更高，上升時間快，并且可以熔化硅和導體跡線，電流高達 30 A。ESD 具有如此大的能量，可能導致組件完全失效。

此外，ESD 沖??擊會造成更細微的損壞。ESD 引起的電流會導致軟故障，包括邏輯器件的狀態變化、閂鎖或不可預知的行為。這可能導致數據流損壞。需要重新發送數據，這會降低數據傳輸速率。如果發生閂鎖故障，系統將需要重新啟動。ESD 還可能導致潛在缺陷，其中組件仍然可以工作，但已退化并可能過早失效。

產品需要對 ESD 具有魯棒性以實現高可靠性。它們還必須符合 IEC 61000-4-2 3等國際標準，才能在世界所有地區進行銷售。圖 2顯示了 IEC 61000-4-2 規定的 ESD 模擬測試波形，產品必須能夠承受 CE 認證。

圖 2：IEC 61000-4-2 中規定的 ESD 測試波形。（來源：Littelfuse, Inc.）

有多種產品可用于保護通信端口免受 ESD 損壞。圖 3顯示了 USB 接口線路的推薦保護組件，具有高達 100 W 的供電能力和高達 240 W 的擴展供電范圍。推薦的組件是瞬態電壓抑制器 (TVS) 二極管。表 2描述了組件技術及其各自的特性和優勢。

圖 3：USB 接口框圖顯示了推薦的 ESD 保護組件（參見表 2）。。(Littelfuse, Inc.)

表 2：推薦的 USB 保護技術（來源：Littelfuse, Inc.）

對于 USB 2.0 線路，請考慮使用 SP3530 單向 TVS 二極管或同等產品。這種 TVS 二極管可以安全地吸收 22kV ESD 沖??擊而不會衰減，幾乎是 IEC 61000-4-2 要求的 8kV 水平的 3 倍。通常，0.3 pF 的低電容可以最大限度地減少對信號轉換的干擾。該組件采用 0201 表面貼裝封裝，旨在節省 PC 板空間。

SuperSpeed 線路需要一個具有盡可能低電容的組件，以免降低高速數據傳輸的性能。例如，SP3213 雙向 TVS 二極管，兩個陽極到陽極連接的二極管為高達 12 kV 的 ESD 沖??擊提供最低限度的保護。這些二極管通常吸收 20 nA 的漏電流，以最大限度地降低電路功耗，并采用緊湊的 μDFN-2 表面貼裝封裝。

對于邊帶使用 (SBU) 和配置通道 (CC) 線路，請考慮 SP1006 單向 TVS 二極管。該組件可以在 μDFN-2 封裝中安全地吸收 30 kV ESD 沖??擊。SP1006 是一款非常堅固的 TVS 二極管，符合 AEC-Q101 標準，可用于 USB 通信的汽車應用。4

V總線要求 TVS 二極管能夠承受比信號線保護器件更高的功率水平。SPHV 系列 200 W TVS 二極管可保護容量為 100 W 的 Vbus 線路。SPHV 二極管可承受 30 kV 的 ESD 沖??擊，并通過 AEC-Q101 認證，采用表面貼裝封裝。對于擴展功率范圍接口，一個示例解決方案是 SMBJ 二極管。它具有比 SPHV 二極管更高的 600 W 峰值額定功率，并且可以吸收高達 30 kV 的 ESD 沖??擊。與其他推薦用于 USB 端口的 TVS 二極管一樣，SMBJ 二極管是表面貼裝元件。

每個不同的 TVS 二極管都具有保護一組特定線路免受 ESD 影響所必需的功能，并且不會干擾線路的功能。將這些二極管結合到電路中可以防止立即失效、軟失效和潛在的過早失效。

推薦 使用 USB Type-C 數據線快速充電的大問題

保護 USB Type-C 插頭和插座免受過熱

USB Type-C 連接器的高密度允許更多機會被污垢和灰塵污染，從而導致電源和接地之間的電阻故障。結合 V總線上的更高功率，USB 連接器存在更大的過熱風險，這可能會損壞連接器、電纜和連接的端口電子設備。溫度升高可能會熔化連接器，或者在最壞的情況下會引發火災。

防止過熱的解決方案是數字溫度指示器，其設計符合 USB Type-C 電纜和連接器規范。當溫度指示器檢測到 100° C 或更高的溫度時，其電阻會增加至少五 (5) 個十倍數。本文中引用的示例組件技術是 Littelfuse 獨特的setP 數字溫度指示器。其特性曲線如圖4所示。

圖 4：以 Littelfuse setP 為例的溫度指示器的電阻與溫度曲線。。（來源：Littelfuse, Inc.）

如圖 3所示，溫度指示器放置在配置通道線中。它沒有放置在 V總線中，因此它不會降低任何電壓或功率，也不會降低 V總線上的供電容量。如果組件檢測到溫度達到 100°C，則其電阻會大幅增加。USB 協議將高電阻解釋為源連接、V總線和接收器連接、負載之間的開路連接，并且 V總線被停用。

當導致過熱的條件得到糾正并且傳感器的溫度降至 100°C 閾值以下時，其電阻重置為 10 Ω 左右的低溫值，并且 V總線重新通電。為獲得最佳結果，溫度指示器應內置在 USB 插頭和/或插座中，以便監測故障源處的連接器溫度。

與必須在 V總線中的正溫度系數設備或微型斷路器不同，數字溫度指示器不會消耗功率并降低功率傳輸能力。此外，這些其他組件僅限于 100 W 和更低的功率，這將阻止它們在擴展功率范圍的 USB Type-C 應用中使用。

溫度傳感器的尺寸應該很小，以便能夠在故障源處進行檢測。它還應該能夠在一 (1) 秒內快速改變其電阻狀態，以防止損壞電纜和電子元件。圖 5顯示了溫度指示器如何在過熱故障期間保持安全的連接器表面溫度。

當溫度指示器（A Littelfuse setP）用于過熱保護時，連接器表面溫度的較低上升比較。。（來源：Littelfuse, Inc.）

概括

如果沒有適當的保護，USB Type-C 連接器中的 ESD 或碎屑可能會導致用戶日常依賴的寶貴消費電子產品出現現場故障。電子工程師可以通過使用 TVS 二極管保護 USB 線路免受 ESD 和數字溫度指示器保護他們的最新設計以防止連接器過熱。隨著移動設備變得更小、更復雜以及對更快充電的需求不斷增加，設計人員面臨著尋找更小的表面貼裝保護元件以適應有限空間并最小化 PCB 空間以實施必要保護的額外挑戰方法。

對這些重要的設計考慮因素的深思熟慮有助于防止最終用戶出現問題。它還有助于提高產品性能、延長產品壽命和提高消費者滿意度。