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USB Type-C 連接埠的電氣風險及防範方式

作者:初級應用工程師 Muhammad Zafar Kausar

消費者、工業及醫療等各類型的市場,皆需更輕薄短小、效能更高、功能更多、彈性更佳的裝置。業界推出的最新 USB Type-C® (或 USB-C®) 介面及 Power Delivery (USB PD) 即可滿足上述需求。

USB-C 具備兩個雙向差分訊號通道、傳統的 USB 2.0 資料連接、控制與邊帶訊號,以及四個 VBUS 連接。透過這些功能,此介面能支援 SuperSpeed 資料傳輸率、高達 100 瓦的供電、反向相容 USB 2.0 連接,以及便利性高的可折疊插頭。電線極性亦可逆,與前代連接不同,此款 USB Type-C 接頭可連接主機、裝置、電源與功率耗散器。

以上功能皆使連接功能的便利性與通用度大幅提升,並能避免用戶不當使用,如連接錯誤的插頭。然而,有些注意事項需要留意。終端產品設計師為了滿足市場對裝置輕巧的需求,USB-C 介面的電接點間隔緊密。CC (控制) 及高速分差訊號引腳與 USB Type-C 接頭的 VBUS 引腳距離格外靠近。若導電的碎片落入插座中、不當插入插頭或嚴重撞擊電線接頭或設備時,可能會導致相鄰連線短路。

 

Electrical Threats to USB Type-C Ports and How to Prevent Them USB Type-C connector

 

更大功率 = 更多風險

請記住,USB PD 標準可承受遠高於 5V 的電壓充電。連接裝置最高可承受高達 20V 的電壓及 5A 的電流。若 VBUS 接頭與訊號或 CC 線路在上述狀況下發生短路,可能造成嚴重後果。

為避免 USB-C 連接埠受損,USB-IF 認證的介面需具備過電壓或過電流保護措施。這項規定也要求 ESD 保護達 ±8kV 的接觸放電。

 

保護條款

接頭後方的電路可受嵌入場效電晶體保護,監測到電壓過高時,將切斷電路,但是還需參照其他標準。為達快速保護效果且幾乎不影響訊號速度,需具低電容與低插入損耗。此外,保護裝置需在過電壓事件發生後,自動重新啟動,確保在持續故障下繼續保護。

 

非一般保護

Diodes 具一系列 IC 組合,透過參考典型使用案例的設計,幫助採用經認證的 USB-C 介面,包含保護裝置、介面控制器、充電控制器及高速切換器與多工器。

DIODES™ DPO2036DBB 與符合汽車規格 AEC-Q100 Grade 1 等級規範的 DPO2039DABQ 皆融合四個通道的保護性 FET (圖 1),VBUS 短路時可快速阻隔電路。超過設定閥值時,將關閉過電壓的 FET,連接器的過電壓線與系統分離,保護連接器後的電路。此時也會出現一個警訊,通知系統過壓的情況。

 

ESD Protection (with TVS), Overvoltage Protection, Charge Pump Gate Driver, Control Logic Fault Report, System Protection

圖 1:DPO2039DABQ 功能方塊圖。

溫度過高時也會觸動阻隔,避免連接設備發生短路。兩者皆有自動恢復功能,並能從任一連接裝置獲取電力,即使系統端的電池電力已耗盡,仍能持續保護設備。亦包含法規要求的 ESD 保護及 IEC 61000-4-2 第 4 級。

有關 DPO2036DBB、DPO2039DABQ 和 USB-C 裝置完整系列的更多資訊及支援,包含參考設計,請至 https://www.diodes.com/protocols/usb-type-c/ 進一步了解。

 

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