USB Type-C 电路保护至关重要的原因及其实现方式

通用串行总线 (USB) Type-C™ 推出了一种紧凑型、可反转的数据和电源连接器，同时支持 USB 功率输送 (USB PD)。USB PD 支持功率高达 100 W（20 V，5 A），除通用功能外，并因其支持锂电池快速充电功能，从而推动了 USB Type-C 的迅速普及。

然而，与所有版本 USB 技术一样，静电放电 (ESD) 会对 USB Type-C 系统的敏感硅器件构成风险。USB Type-C 还导致了一些特有的安全挑战：高功率输送、紧凑的连接器、消费者可以轻松连接不合规的电缆，这大大增加了该技术的过压故障概率，因此可靠的电路保护至关重要。

本文概述了对 USB Type-C 电路保护的需求，并介绍了一些保护电路和元器件实例。然后解释如何设计并实现保护这些系统不受 ESD 和过压故障模式影响的保护电路。

有关 USB PD 本身的更多详细信息，请参阅文库文章，“设计导入 USB Type-C 并使用其功率输送功能实现快速充电”。

USB Type-C 会出现什么问题？

对所有 USB 系统实施 ESD 保护是一种良好的设计原则。一些标准规定了 USB 系统（和其他地方）中的 ESD 放电稳健性要求。例如，EN 55024（“信息技术设备 - 抗扰度特性 - 限值和测量方法”）规定能经受 4 kV 接触放电，以及 8 kV 空气放电（标准 B：瞬时扰动和自恢复）

除了影响所有 USB 系统的 ESD 风险外，USB Type-C 还导致了一些特有的故障模式。这些模式由两种因素共同影响造成：USB PD 高功率输送和紧凑的几何形状。

如果传统 USB 系统采用 USB 2.0 或 3.0 通信协议，则可以使用 USB PD 实现高功率输送。然而，传统 USB 连接器（图 1）对几何形状的要求并不那么严格，在一定程度上降低了非 USB Type-C 应用的故障风险。

图 1：USB Type-C 的普及一定程度上归因于其紧凑、可反转的连接器。而缺点是引脚间距小于像 USB Type-A 之类旧版 USB 连接器。Type-C 引脚间距减小，导致短路概率增大。（资料来源：www.USB.org）

USB Type-C 连接器的引脚间距仅是 Type A 连接器的四分之一。当引脚间距减小后，在高电流/电压条件下，扭转电缆或拔下连接器时会导致灾难性短路概率增大。连接器内的碎屑堆积可能造成类似的灾难性后果。

此外，Type-C 的普及促成了大量第三方电缆和电源适配器。其中多数无法适应 USB Type-C 和 USB PD 标准支持的高电流。

与其他版本的 USB 技术相比，紧凑型连接器的机械应力、碎屑和不合规电缆，以及高电流/电压增加了 USB Type-C 系统短路的风险。如果连接器的相邻引脚 VBUS和 CC 或 SBU 之间发生短路，下游电路可能会受到 20 V 浪涌电压的损坏（图 2）。

图 2：USB 插座（未显示所有引脚）剖面图说明了 CC（连接/配置）引脚与 SBU（边带/音频适配器附件配置/需定义的附加功能）引脚相邻于总线电源 (VBUS)。（图片来源：STMicroelectronics）

PD 控制器的短路风险特别高，因为器件直接连接 CC 引脚并且设计最高运行电压为 5 V。由于在 USB PD 期间，PD 控制器负责协调充电器和被充电装置之间的最大电流和电压电平，因此保护好这些器件非常重要。PD 控制器损坏引起的 USB PD 异常运行，可能成为安全隐患。例如，未受保护的壁式适配器发生短路时，会导致下游 PD 控制器受损（图 3）。

图 3：故障壁式适配器可能会在 VBUS和 CC 引脚之间短路，使下游 PD 控制器面临 20 V 的电压伤害。（示意图使用Digi-Key Scheme-it®参照Texas instruments原图绘制）