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USB Power Delivery 3.1 的保護方案應用技術分享

h1654155954.3333 ? 來源:13510763621 ? 作者:13510763621 ? 2023-02-23 11:35 ? 次閱讀

AMAZINGIC晶焱科技提供USB Power Delivery 3.1 的保護方案應用技術分享由一級代理KOYUELEC光與電子提供技術推廣服務,電話0755-82574660、82542001,歡迎硬件研發探討技術交流

USB PD3.0快充標準迎來最新的升級,新的PD3.1快充標準將支持48V電壓輸出,充電功率同步提升至240W。 USB-IF協會發布了USB PD3.1快充協議標準,并更新其中有關供電能力的內容,快充協議中分別定義標準功率范圍(Standard Power Range)最大充電功率保持100w不變,以及擴展功率范圍(Extended Power Range)新增 28V、36V、48V 三個電壓,所對應的電流均為 5 安培,因此最大輸出功率從 100W 擴展至 240W。如下圖一所示。

Power Range Availiable Current and Voltages PDP Range
Standard Power Range(SPR) 3A: 5V, 9V, 15V, 20V
5A: 20V
15 - 60W
>60 - 100W
Extended Power Range(EPR)
3A: 5V, 9V, 15V, 20V
5A: 20V, 28V, 36V, 48V
15 - 60W
>100 - 240W

表一、 Fixed Voltage Power Ranges

USB PD3.1規范的推出,未來不會僅局限在于個人電腦、筆記型電腦、平板及智慧型手機等消費型的應用,將會帶領USB PD快充進入一個更大的市場,比如電動工具機或兩輪電動車等領域。而USB PD3.1主要是建構在USB Type C的實體接口上,除了可以將傳輸速率最高提升到40Gbit/s,而且還可快速充電,最大供電為240W。此接口在系統上是外露給使用者隨時可以插拔的接口,使用者最普遍的應用就是隨插即用、隨拔即關,然而這個熱插拔動作卻也經常是造成電子系統工作異常、甚至造成USB Type C控制元件毀壞的元兇,因為靜電放電(ESD)等暫態雜訊就是來自這個熱插拔動作。在熱插拔中,由于接口端的訊號線可能已經帶電,這個帶電的電纜在接觸系統時將造成放電行為,這種事件即為靜電放電現象會對系統產生嚴重破壞,一般稱這種現象為直接放電。目前在系統的靜電放電測試上,越來越多的廠商要求以Direct-Pin Injection方式測試產品,以此來模擬系統在用戶端使用時所遭受到ESD事件。

除了原先必須通過IEC61000-4-2針對機殼的靜電測試規范外,有越來越多品牌廠商已經規范其產品的USB Type C連接器需以Direct-Pin Injection方式測試,甚至部份品牌要求在±8kVESD轟擊的條件下,系統必須在不受任何影響之下通過測試,以此來模擬產品售后熱插拔時可能遭遇的直接放電事件。因此,使用保護元件于USB Type C介面來防止ESD事件對資料傳輸的干擾是絕對需要的。圖一為Direct-Pin Injection測試設置。

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圖一、 Direct-Pin Injection測試設置

另外由于電子產品已迅速深入全球各個角落,但許多偏遠地區因基礎建設不佳,或是氣候極端的影響,電子產品遭受EOS(Electrical Over Stress)突波的機率大大提高,所導致返修率也隨之提升。 EOS通常產生于AC/DC電源干擾、電源雜訊或熱插拔等事件,而目前EOS測試的標準主要是采用IEC61000-4-5的規范,測試電壓波形為1.2/50μs,電流波形為8/20μs。部分品牌廠除了制定內規的ESD Direct-Pin Injection方式測試外,還會額外增加EOS Direct-Pin Injection方式測試。圖二為EOS Direct-Pin Injection測試設置。

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圖二、 EOS Direct-Pin Injection測試設置

對于USB PD3.1的介面而言,在選擇ESD/EOS保護元件時必須考慮到:

1. 最重要的參考參數是ESD and EOS clamping voltage:ESD/EOS保護元件若要能對系統提供有效保護,除了防護元件本身要能承受夠高的ESD/EOS轟擊外,還需要考慮鉗制電壓是否夠低,使得ESD/EOS的能量能被鉗制在更低的電壓以防止系統內部電路受到損毀,此鉗制電壓是判斷ESD/EOS保護元件對于系統電路保護效能最重要的參數。

2. 此介面可提供快速充電需求,分別可以支援5V/9V/15V/20V/28V/36V/48V等不同電壓。充電時因頻繁的熱插拔動作可能在電源線上產生頻繁ESD/EOS威脅,因此需在系統上采用更加完善的外部突波ESD/EOS保護方案設計。

晶焱科技擁有先進的ESD/EOS防護設計技術,特別針對USB PD3.1的防護需求,推出不同電壓的ESD/EOS防護元件。如下圖三所示。

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圖三、 USB PD 3.1 Solution

此接口可提供快速充電,在電源端需選用一顆ESD/EOS的防護元件,依據設計的電壓來選用合適的ESD/EOS元件來保護,就可以保護此接口不受ESD/EOS的威脅,圖四即為完整的USB PD3.1介面的ESD/EOS解決方案保護線路。

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圖四、 USB PD3.1介面的ESD/EOS解決方案保護線路

審核編輯黃宇

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