不断升级的USB-C接口：你对它的保护升级了吗?
不断升级的usb-c接口：你对它的保护升级了吗?
【导读】盘点一下我们身边电子设备外壳上各式各样的接口，你可能会发现，它们的种类和数量正在减少。但与此同时有一个接口上镜的机会却越来越多，这个接口就是usb type-c（以下简称usb-c）。
根据his的市场研究数据，2021年全球配备usb-c接口的设备出货量接近50亿部，在智能手机、平板和笔记本电脑等数以亿计的消费电子产品及其相关配套组件中，usb-c已经成为标配。
从2015年进入商用，usb-c能够以如此快的速度占领市场、一统江湖，并不是偶然的。要说usb-c究竟好在哪？随便找来一个非专业人士的普通消费者也能摆出好几条：外形小、支持正反插、可以双向供电，数据视频传输一肩挑……当然其中尤为关键的肯定是下面这两条：数据传输的速度更快，电力传输的效率更高效。
新标准带来的新挑战
在标准定义之初，usb-if就是以一个”具有技术前瞻性的物理接口”这样的定位来打造usb-c的。事实也表明，这些年usb在数据传输和电力传输方面标准的提升背后，usb-c提供的有力支撑功不可没。
具体来讲，经过了多年的迭代，usb的数据传输标准已经从usb 1.0的1.5mbps、usb 2.0的480mbps，提升到了usb 4.0的40gbps。能够有这样的底气和迭代速度，与usb-c提供的双通道（x2）架构是不无关系的。
图1：usb数据传输标准的升级之路
（图源：littelfuse）
从电力传输方面来看，usb-c应用伊始，其支持高达100w（20v @ 5a）的usb pd协议就是一个关键的卖点。这一功能使得可以通过usb-c接口供电的设备范围大大扩展，而且也使得其成为被“能源焦虑症”困扰的智能手机提升充电功率的坚实支点。去年5月，usb-if发布了新的usb pd 3.1标准，更是将usb-c支持的上限输出功率从之前usb pd 3.0规定的100w，提升到了240w（48v @ 5a）！如果与2010年推出的7.5w的usb bc1.2比较，在十年间usb的电力传输能力增长达32倍！
而且usb-c中专门定义了用于pd协议传输的cc线路，负责在供电和受电设备之间协商电力协议，这就使得可编程电源pps（programmable power supply）的实现成为可能，也确保了基于usb-c的快充可以实现更高的能效。
可以说，与其他的接口相比，usb-c物理接口标准与数据传输标准以及usb pc功率传输标准相互支撑，协同推进，成就了其今天稳固的江湖地位。
不过，所谓“能力越大，责任越大”，usb-c在数据和电力传输上能力的提升，也带来了新的挑战，特别是来自可靠性与稳定性方面的挑战。这是因为，这些标准在制订时并未直接规定保护usb接口免受外部危害的具体方法，而在实际应用中，由于usb-c外形更小，连接密度更大，在接口的电路保护方面面临的压力会更大，尤其是在静电防护（esd）和过热保护两方面，必须有针对性的方案确保usb-c接口的可靠性。
图2：与传统的4针脚usb-a连接器相比，usb-c连接器有24针，信号触点间距仅为0.5mm
（图源：littelfuse）
构筑全方位的esd防护
我们先来看看esd防护。usb-c连接器和电缆暴露于外部环境的电子电路中，难免会受到人的直接接触或电弧等带来的esd冲击，这种冲击电压可达30kv或更高，瞬间电流高达30a，这样的高能量可以熔化硅和导线，导致元件完全失效。即使没有造成这种“硬”伤害，esd引起的电流也可能导致“软”故障，包括逻辑器件的状态变化、闩锁或不可预知的行为，这就会影响数据传输速度，导致系统误启动，或者造成一些潜在的缺陷，影响元器件的可靠性或者减少其使用寿命。因此，对于usb-c接口这种存在esd高风险的“界面”，必须严密设防。
不过，对于usb-c接口来说，想要全面设防esd并不简单，其面临着一些前所未有的挑战：
与仅有4引脚的usb-a连接器相比，usb-c接口的引脚数量达到了24条，而尺寸又被大大地压缩了，因此保护元件必须拥有更紧凑的外形。在这样的情况下，占板面积较大的分立保护元件的应用会受到限制，具有更高封装密度的方案（如tvs二极管阵列）就成了更理想的选择。
与此同时，这24个引脚（线路）的角色各不相同，对于esd冲击的防护要求也有很大的差别。比如对于电源传输线的esd保护元件，额定电压是一个很重要的指标；而对于数据线，为了支持高速率的数据传输，对于esd防护元件的低电容值会更为敏感，这是因为电容会弱化传输的信号，电容容值越高对信号的衰减作用会越明显，因此传输速率越高的数据接口，也就需要更低电容值的esd抑制元件。
图3：usb-c接口esd防护解决方案
（图源：littelfuse）
图3展示了一个典型usb-c接口的esd防护解决方案，可以看到需要保护的线路包括usb 2.0、superspeed、sbu、cc、vbus五种，分别对应图中的ii、iii、iv、v四类情况。每一条线路的esd防护要求都不同，而我们的解决方案却要尽可能做得面面俱到。
如果我们分别针对每个线路的esd防护规格，进行保护元件的选型，这无疑是一个费时费力的过程。为了解决工程师的这个烦恼，littelfuse提供了一个完整的解决方案，为每个线路的esd匹配了合适的保护元件。下面我们对这一方案做个细致地观察。
usb 2.0线路
买电子元器件现货上唯样商城
先来看对于usb 2.0线路的保护，这个引脚是usb-c为了兼容之前usb 2.0数据传输标准而专门保留的，支持480mbps的传输速度，其esd防护需要满足iec 61000-4-2标准要求的8kv水平，且需要具有较低的电容以满足高速数据传输的要求。littelfuse方案中，为此匹配的保护器件是sp3530单向tvs二极管，该器件可以安全地吸收高达22kv的esd能量冲击，接近iec 61000-4-2要求的3倍，而且不会衰减；同时，0.3pf的低电容也可以尽可能地减少对信号转换的干扰。0201的smd封装外形也足够小巧，不会占用太大的pcb面积。
图4：sp3530单向tvs二极管
（图源：littelfuse）
superspeed线路
接下来我们来看看superspeed线路，这几个引脚是usb-c接口实现数十gbps数据传输速率的关键，肯定需要一颗具有尽可能低电容的保护元件，以免影响超高速数据传输的性能。因此，littelfuse的电容仅为0.09pf的sp3213双向tvs二极管阵列成为了理想选择，它可以为超高速信号传输提供出色的信号完整性，并提供12kv的esd防护能力，安全地吸收重复性静电放电冲击，且性能不会下降，还可以安全地耗散2a的8/20μs浪涌电流（iec 61000-4-5第2版）。同时，由于采用紧凑的μdfn-2表面贴装封装，满足小型化的设计要求也不在话下。
图5：sp3213双向tvs二极管阵列
（图源：littelfuse）
sbu和cc线路
我们要考虑的第三种情况是供边带使用（sbu）和配置通道（cc）的线路，它们虽然也是信号传输通道，但是与usb 2.0和superspeed线路相比，数据传输速率比较低，因此可以选择电容较高的tvs器件，以便在性能和成本上实现极佳的平衡。littelfuse的sp1006单向tvs二极管阵列正好可以满足这个要求，其同样采用0201尺寸μdfn-2封装，可以安全吸收30kv的可重复性esd接触放电，并安全地耗散5a的8/20μs浪涌电流，钳位电压很低。
图6：sp1006单向tvs二极管阵列
（图源：littelfuse）
vbus线路
与上面四条信号线路相比，vbus电源线的esd保护要求有些不同，在这里使用的tvs二极管需要能够承受比信号线保护器件更高的功率水平。根据usb pd标准的要求，vbus线路上可以传输电压高达20v，而普通的esd保护器件通常只能承受5v、6v或者12v的电压。littelfuse的sphv系列tvs二极管就是专为20v功率线路的保护应用而设计的，其200w的功率容量对于保护100w的vbus线路显然是游刃有余。sphv系列tvs二极管同样采用表面贴装封装，可承受30kv的esd冲击，并通过了aec-q101车规认证。
图7：sphv和sphv-c tvs二极管
（图源：littelfuse）
前文曾经提到，新的usb pd 3.1标准将支持的上限功率扩展到了240w，相应地线路上的上限电压也提升到了42v。面对这一新变化，esd器件的耐压能力当然也要升级。为此，littelfuse的smbj tvs二极管可堪重用，它具有高达600w的峰值额定功率，可以吸收高达30kv的esd冲击，表面贴装的封装也确保了其足够“纤细”的外形。
有了上述这些tvs二极管器件的全面守护，usb-c接口的esd防护可以说是高枕无忧了。
不同以往的过热保护
随着usb-c支持的功率水平不断升级，另一个可靠性风险也会增加，这就是连接器插头和插座的过温（过热）。
usb-c连接器互连密度高（引脚间距仅有0.5mm），作为电子设备与外界的接口，更容易受到污垢和灰尘等杂质的污染，从而导致电源与接地之间的电阻性故障。vbus线路上承载的功率越高，usb连接器的过热风险也就越大，这不仅可能会损坏连接器、电缆和连接端口中的元器件，过高的温度还可能会熔化连接器，甚至引发火灾。
传统的防止usb接口线缆过热的方法，是在vbus电源线上装配一个pptc可恢复式保险丝或者一个小型断路器，它们被内置在连接器内部的一个pcb线路板上去监测可能带来风险的温升。
不过当功率提升到100w以上时，这种方法的短板就显现出来了。这主要是因为，串联在电源线上的这些保护元件具有内阻，即使仅有几毫欧的内阻，在高功率的线路上也会造成显著的功率损耗，这就让设备制造商应对越来越严苛的能耗标准的难度加大。
此外，使用pptc可恢复式保险丝或者小型断路器，开发者在小型化设计上的挑战也会更大。比如，一个60w充电器所需的pptc，其占板面积为就有3.2mm × 2.5mm，小型断路器的外形会更大；而当功率提升到100w以上时，这些保护元件的尺寸还会有显著地增加。
因此，想要实现可靠的usb-c连接器过热保护，必须有些新办法。littelfuse对此给出的解决方案就是独特的setp™数字温度指示器。
图8：setp™温度指示器
（图源：littelfuse）
与将保护元件串联在vbus电源线上的老办法不同，setp™温度指示器是串联在cc控制线路上的（如图3中的i所示）。当该元件检测到100°c以上的温度时，其电阻会大幅增加，这时usb pd协议将高电阻解释为源连接、vbus和接收器连接、负载之间的断开连接，会将vbus线路停用，由此阻止过热情况的加剧。当导致过热的条件得到纠正，setp™检测到的温度降至100°c以下时，其阻值会重置为10ω左右的低阻状态，这时vbus会重新通电。
图9：setp™温度指示器的电阻-温度曲线
（图源：littelfuse）
很显然，这种方案既可以保护100w或更高功率的系统，也不会因为串联在电源线上的内阻造成功率损耗，可谓是一石二鸟。加之setp™温度指示器采用2.0mm x 1.2mm的紧凑尺寸，smd的封装与回流焊工艺兼容，因此其在未来功率更高的usb-c应用中是非常合适的解决方案。
本文小结
功能上兼收并蓄，性能上不断升级——凭借这两招儿，usb-c已经成为今天市场上炙手可热的外设接口，没有之一。
而伴随着usb-c接口技术的不断迭代升级，与之相配套的电路保护技术也必须同步跟进，这样才能以过硬的可靠性和安全性，为终端用户提供一个性能不打折扣的接口连接解决方案，而不是一个徒有usb-c其表的“样子货”。
针对这样的需求，littelfuse给出的解决方案不仅能够覆盖usb-c各个线路保护“个性化”的设计需求，还具有足够的前瞻性和“提前量”，紧跟usb新标准的步伐。
图10：littelfuse usb-c保护解决方案推荐产品一览
（图源：littelfuse）
因此，面对不断升级的usb-c接口，如果你正在考虑对usb-c接口的保护方案来一次全面的升级，littelfuse的这些解决方案应该正合你的胃口。
德国制造业有哪些值得我们学习和借鉴的地方
PLC在凿岩台车定向定位自动控制系统中的应用
功放和音箱原理关系 如何选择功放机
初探2019年中国半导体业的增长
西部数据发布智能终端的数据存储 视频监控领域的端到端智能方案形成
不断升级的USB-C接口：你对它的保护升级了吗?
华为内部员工炮轰手机门店像政府办事大厅
3D视频潜力巨大，用于手机的三维LCD在两年内有望得以商用
三一从海外采购的零部件不到10% 且有替代方案
智能网联汽车虚拟仿真测试平台
巴西2018上半年风电装机容量达13180.7兆瓦，风力发电量为4098平均兆瓦
六轴机器人介绍
Maxim亚太地区执行总监张登益：强推智能电表六合一SoC
什么是TOF镜头 TOF技术和iPhone X所用到的结构光区别
TI推新型ARM Cortex-M MCU马达控制套件
汽车电气化：英飞凌做好准备迎接轻度混合动力汽车的强劲增长
特斯拉:从“富人的电动玩具”到大众消费品
PEX8725 PCIe交换机Broadcom
使用LTE Cat M1调制解调器降低物联网无线连接的成本
探究蓄电池变形鼓包的原因以及故障的检查和处理
【导读】盘点一下我们身边电子设备外壳上各式各样的接口，你可能会发现，它们的种类和数量正在减少。但与此同时有一个接口上镜的机会却越来越多，这个接口就是usb type-c（以下简称usb-c）。
根据his的市场研究数据，2021年全球配备usb-c接口的设备出货量接近50亿部，在智能手机、平板和笔记本电脑等数以亿计的消费电子产品及其相关配套组件中，usb-c已经成为标配。
从2015年进入商用，usb-c能够以如此快的速度占领市场、一统江湖，并不是偶然的。要说usb-c究竟好在哪？随便找来一个非专业人士的普通消费者也能摆出好几条：外形小、支持正反插、可以双向供电，数据视频传输一肩挑……当然其中尤为关键的肯定是下面这两条：数据传输的速度更快，电力传输的效率更高效。
新标准带来的新挑战
在标准定义之初，usb-if就是以一个”具有技术前瞻性的物理接口”这样的定位来打造usb-c的。事实也表明，这些年usb在数据传输和电力传输方面标准的提升背后，usb-c提供的有力支撑功不可没。
具体来讲，经过了多年的迭代，usb的数据传输标准已经从usb 1.0的1.5mbps、usb 2.0的480mbps，提升到了usb 4.0的40gbps。能够有这样的底气和迭代速度，与usb-c提供的双通道（x2）架构是不无关系的。
图1：usb数据传输标准的升级之路
（图源：littelfuse）
从电力传输方面来看，usb-c应用伊始，其支持高达100w（20v @ 5a）的usb pd协议就是一个关键的卖点。这一功能使得可以通过usb-c接口供电的设备范围大大扩展，而且也使得其成为被“能源焦虑症”困扰的智能手机提升充电功率的坚实支点。去年5月，usb-if发布了新的usb pd 3.1标准，更是将usb-c支持的上限输出功率从之前usb pd 3.0规定的100w，提升到了240w（48v @ 5a）！如果与2010年推出的7.5w的usb bc1.2比较，在十年间usb的电力传输能力增长达32倍！
而且usb-c中专门定义了用于pd协议传输的cc线路，负责在供电和受电设备之间协商电力协议，这就使得可编程电源pps（programmable power supply）的实现成为可能，也确保了基于usb-c的快充可以实现更高的能效。
可以说，与其他的接口相比，usb-c物理接口标准与数据传输标准以及usb pc功率传输标准相互支撑，协同推进，成就了其今天稳固的江湖地位。
不过，所谓“能力越大，责任越大”，usb-c在数据和电力传输上能力的提升，也带来了新的挑战，特别是来自可靠性与稳定性方面的挑战。这是因为，这些标准在制订时并未直接规定保护usb接口免受外部危害的具体方法，而在实际应用中，由于usb-c外形更小，连接密度更大，在接口的电路保护方面面临的压力会更大，尤其是在静电防护（esd）和过热保护两方面，必须有针对性的方案确保usb-c接口的可靠性。
图2：与传统的4针脚usb-a连接器相比，usb-c连接器有24针，信号触点间距仅为0.5mm
（图源：littelfuse）
构筑全方位的esd防护
我们先来看看esd防护。usb-c连接器和电缆暴露于外部环境的电子电路中，难免会受到人的直接接触或电弧等带来的esd冲击，这种冲击电压可达30kv或更高，瞬间电流高达30a，这样的高能量可以熔化硅和导线，导致元件完全失效。即使没有造成这种“硬”伤害，esd引起的电流也可能导致“软”故障，包括逻辑器件的状态变化、闩锁或不可预知的行为，这就会影响数据传输速度，导致系统误启动，或者造成一些潜在的缺陷，影响元器件的可靠性或者减少其使用寿命。因此，对于usb-c接口这种存在esd高风险的“界面”，必须严密设防。
不过，对于usb-c接口来说，想要全面设防esd并不简单，其面临着一些前所未有的挑战：
与仅有4引脚的usb-a连接器相比，usb-c接口的引脚数量达到了24条，而尺寸又被大大地压缩了，因此保护元件必须拥有更紧凑的外形。在这样的情况下，占板面积较大的分立保护元件的应用会受到限制，具有更高封装密度的方案（如tvs二极管阵列）就成了更理想的选择。
与此同时，这24个引脚（线路）的角色各不相同，对于esd冲击的防护要求也有很大的差别。比如对于电源传输线的esd保护元件，额定电压是一个很重要的指标；而对于数据线，为了支持高速率的数据传输，对于esd防护元件的低电容值会更为敏感，这是因为电容会弱化传输的信号，电容容值越高对信号的衰减作用会越明显，因此传输速率越高的数据接口，也就需要更低电容值的esd抑制元件。
图3：usb-c接口esd防护解决方案
（图源：littelfuse）
图3展示了一个典型usb-c接口的esd防护解决方案，可以看到需要保护的线路包括usb 2.0、superspeed、sbu、cc、vbus五种，分别对应图中的ii、iii、iv、v四类情况。每一条线路的esd防护要求都不同，而我们的解决方案却要尽可能做得面面俱到。
如果我们分别针对每个线路的esd防护规格，进行保护元件的选型，这无疑是一个费时费力的过程。为了解决工程师的这个烦恼，littelfuse提供了一个完整的解决方案，为每个线路的esd匹配了合适的保护元件。下面我们对这一方案做个细致地观察。
usb 2.0线路
买电子元器件现货上唯样商城
先来看对于usb 2.0线路的保护，这个引脚是usb-c为了兼容之前usb 2.0数据传输标准而专门保留的，支持480mbps的传输速度，其esd防护需要满足iec 61000-4-2标准要求的8kv水平，且需要具有较低的电容以满足高速数据传输的要求。littelfuse方案中，为此匹配的保护器件是sp3530单向tvs二极管，该器件可以安全地吸收高达22kv的esd能量冲击，接近iec 61000-4-2要求的3倍，而且不会衰减；同时，0.3pf的低电容也可以尽可能地减少对信号转换的干扰。0201的smd封装外形也足够小巧，不会占用太大的pcb面积。
图4：sp3530单向tvs二极管
（图源：littelfuse）
superspeed线路
接下来我们来看看superspeed线路，这几个引脚是usb-c接口实现数十gbps数据传输速率的关键，肯定需要一颗具有尽可能低电容的保护元件，以免影响超高速数据传输的性能。因此，littelfuse的电容仅为0.09pf的sp3213双向tvs二极管阵列成为了理想选择，它可以为超高速信号传输提供出色的信号完整性，并提供12kv的esd防护能力，安全地吸收重复性静电放电冲击，且性能不会下降，还可以安全地耗散2a的8/20μs浪涌电流（iec 61000-4-5第2版）。同时，由于采用紧凑的μdfn-2表面贴装封装，满足小型化的设计要求也不在话下。
图5：sp3213双向tvs二极管阵列
（图源：littelfuse）
sbu和cc线路
我们要考虑的第三种情况是供边带使用（sbu）和配置通道（cc）的线路，它们虽然也是信号传输通道，但是与usb 2.0和superspeed线路相比，数据传输速率比较低，因此可以选择电容较高的tvs器件，以便在性能和成本上实现极佳的平衡。littelfuse的sp1006单向tvs二极管阵列正好可以满足这个要求，其同样采用0201尺寸μdfn-2封装，可以安全吸收30kv的可重复性esd接触放电，并安全地耗散5a的8/20μs浪涌电流，钳位电压很低。
图6：sp1006单向tvs二极管阵列
（图源：littelfuse）
vbus线路
与上面四条信号线路相比，vbus电源线的esd保护要求有些不同，在这里使用的tvs二极管需要能够承受比信号线保护器件更高的功率水平。根据usb pd标准的要求，vbus线路上可以传输电压高达20v，而普通的esd保护器件通常只能承受5v、6v或者12v的电压。littelfuse的sphv系列tvs二极管就是专为20v功率线路的保护应用而设计的，其200w的功率容量对于保护100w的vbus线路显然是游刃有余。sphv系列tvs二极管同样采用表面贴装封装，可承受30kv的esd冲击，并通过了aec-q101车规认证。
图7：sphv和sphv-c tvs二极管
（图源：littelfuse）
前文曾经提到，新的usb pd 3.1标准将支持的上限功率扩展到了240w，相应地线路上的上限电压也提升到了42v。面对这一新变化，esd器件的耐压能力当然也要升级。为此，littelfuse的smbj tvs二极管可堪重用，它具有高达600w的峰值额定功率，可以吸收高达30kv的esd冲击，表面贴装的封装也确保了其足够“纤细”的外形。
有了上述这些tvs二极管器件的全面守护，usb-c接口的esd防护可以说是高枕无忧了。
不同以往的过热保护
随着usb-c支持的功率水平不断升级，另一个可靠性风险也会增加，这就是连接器插头和插座的过温（过热）。
usb-c连接器互连密度高（引脚间距仅有0.5mm），作为电子设备与外界的接口，更容易受到污垢和灰尘等杂质的污染，从而导致电源与接地之间的电阻性故障。vbus线路上承载的功率越高，usb连接器的过热风险也就越大，这不仅可能会损坏连接器、电缆和连接端口中的元器件，过高的温度还可能会熔化连接器，甚至引发火灾。
传统的防止usb接口线缆过热的方法，是在vbus电源线上装配一个pptc可恢复式保险丝或者一个小型断路器，它们被内置在连接器内部的一个pcb线路板上去监测可能带来风险的温升。
不过当功率提升到100w以上时，这种方法的短板就显现出来了。这主要是因为，串联在电源线上的这些保护元件具有内阻，即使仅有几毫欧的内阻，在高功率的线路上也会造成显著的功率损耗，这就让设备制造商应对越来越严苛的能耗标准的难度加大。
此外，使用pptc可恢复式保险丝或者小型断路器，开发者在小型化设计上的挑战也会更大。比如，一个60w充电器所需的pptc，其占板面积为就有3.2mm × 2.5mm，小型断路器的外形会更大；而当功率提升到100w以上时，这些保护元件的尺寸还会有显著地增加。
因此，想要实现可靠的usb-c连接器过热保护，必须有些新办法。littelfuse对此给出的解决方案就是独特的setp™数字温度指示器。
图8：setp™温度指示器
（图源：littelfuse）
与将保护元件串联在vbus电源线上的老办法不同，setp™温度指示器是串联在cc控制线路上的（如图3中的i所示）。当该元件检测到100°c以上的温度时，其电阻会大幅增加，这时usb pd协议将高电阻解释为源连接、vbus和接收器连接、负载之间的断开连接，会将vbus线路停用，由此阻止过热情况的加剧。当导致过热的条件得到纠正，setp™检测到的温度降至100°c以下时，其阻值会重置为10ω左右的低阻状态，这时vbus会重新通电。
图9：setp™温度指示器的电阻-温度曲线
（图源：littelfuse）
很显然，这种方案既可以保护100w或更高功率的系统，也不会因为串联在电源线上的内阻造成功率损耗，可谓是一石二鸟。加之setp™温度指示器采用2.0mm x 1.2mm的紧凑尺寸，smd的封装与回流焊工艺兼容，因此其在未来功率更高的usb-c应用中是非常合适的解决方案。
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针对这样的需求，littelfuse给出的解决方案不仅能够覆盖usb-c各个线路保护“个性化”的设计需求，还具有足够的前瞻性和“提前量”，紧跟usb新标准的步伐。
图10：littelfuse usb-c保护解决方案推荐产品一览
（图源：littelfuse）
因此，面对不断升级的usb-c接口，如果你正在考虑对usb-c接口的保护方案来一次全面的升级，littelfuse的这些解决方案应该正合你的胃口。
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