USB PD 3.0控制器TPS25750浪涌防护方案

本文主要是针对USB PD 3.0控制器TPS25750的浪涌防护方案，采用湖南静芯研发的TDS浪涌保护器件对芯片进行浪涌防护，保护设备免受电气系统中的浪涌电压或浪涌电流的损害，确保设备的安全性。

一、TPS25750介绍

TPS25750是一款高度集成的独立式USB Type-C和电力输送 (PD)控制器，针对支持 USB-C PD电源的应用进行了优化。TPS25750集成了完全管理的电源路径与强大的保护功能，可提供完整的USB-C PD解决方案。TPS25750还集成了对外部电池充电器IC的控制功能，可提高易用性并缩短产品上市时间。基于网络的直观GUI将使用清晰的方框图和简单的多选题，通过一些简单问题了解用户的应用需求。最后，GUI将为用户的应用创建配置映像，从而显著降低竞争性USB PD解决方案相关的复杂性。

二、USB-PD介绍

USB-PD是一种基于 USB Type-C标准构建的先进快速充电技术，它基于充电规范运行，以最大限度地提高传输到连接设备的功率。USB-PD规范定义了设备如何利用 USB Type-C连接器供电，以及如何在供电过程中识别和管理这些设备。USB-PD的一个关键特性是，它可以使设备能够在精确传输或接收电源之前通过 USB Type-C连接器上的专用通信通道进行通信。这可以让设备仅获得所需的功率，防止过度充电或充电不足的问题。

由USB实施者论坛（USB-IF）设计的USB供电（USB-PD）规范已经发展了四个版本，逐步增强了供电能力和灵活性。最初的USB-PD 1.0仅提供固定功率配置：10W（5V，2A）、18W（12V，1.5A）、36W（12V，3A）、60W（20V，3A）和100W（20V，5A）。USB-PD 2.0为标准功率范围（SPR）引入了四个固定电压电平（5V、9V、15V、20V），具有3A或5A的灵活电流选项。这种组合实现了更多通用的充电选项，功率范围从0.5W到100W不等。USB-PD 3.0进一步扩展了USB-PD 2.0的功能，提供额外的设备信息，如电源状态、电池电量和系统通知。

三、TDS器件介绍

TDS(平缓钳位浪涌抑制器)具有精准且恒定的触发电压、优异的钳位性能及稳定的温度特性，可为系统提供更全面保护。当 EOS 事件来临时，瞬态电压攀升至超过集成精密触发器所设定的击穿电压（VBR）阈值，触发电路精确的开启内置泄流场效应晶体管，有效的将瞬态高压与大电流安全释放到地。由于TDS的内置泄流场效应晶体管具有极低的导通电阻，其钳位电压在额定峰值脉冲电流范围内几乎是恒定的。

在选择浪涌防护器件时，许多工程师会优先选择TVS二极管，实际上大电流TDS芯片在成本和性能、面积上比TVS更具优势。TDS器件的优势如下：

在提供相同保护的情况下，TDS耗散浪涌能量较小，能通过自身特性将过压与过流事件高效泄放到地，从而避免增加自身热损耗。

TDS器件体积小巧，结构紧凑，为硬件工程师设计高度集成型解决方案提供了更优选择。如果应用需要超过单个TDS器件所能提供的特定钳位电压， 可以将多个TDS器件串联，提供了更多的灵活性。

TDS器件的钳位电压通常比传统TVS保护设备的钳位电压低30%，减少了系统的电气应力，可以更好的保护后端IC，也为系统中的其他组件创造了更大的安全余量。

TDS器件在额定峰值脉冲电流范围内拥有几乎恒定的钳位电压。传统TVS二极管的箝位电压随着峰值脉冲电流的增加而增加，而TDS器件的钳位电压在最大峰值脉冲电流之前几乎保持不变。

TDS器件的钳位电压在工作温度范围内保持稳定，而传统TVS二极管的钳位电压随温度变化。TDS器件拥有卓越的耐用性，在工作规格内性能不会下降，仍能保证低漏电和高钳位电压。

四、应用方案

图1应用方案

上图介绍了使用PD 3.0控制器TPS25750的部分参考设计。USB PD 3.0可以提供高达 100W的功率,VBUS上的最大电压可以达到20V（20V&5A）。如果总线上的电压增加超过其设计参数，USB PD控制器可能会损坏。因此设计人员经常选择使用具有高于标定峰值脉冲电流(IPP)额定值的TVS二极管器件保护总线，VBUS引脚的安全性就需要使用工作电压高于 20V的防护器件来保护 VBUS引脚，以保持钳位电压低于PD控制器损坏阈值。

ESTVS2200DRVR是湖南静芯开发的平缓浪涌抑制器(TDS)，可用于保护工作电压为 20V、22V、24V的系统，具有精准且恒定的触发电压、优异的钳位性能及稳定的温度特性，可为系统提供更全面保护。ESTVS2200DRVR器件为 DFN 2mm x 2mm x 0.68mm 6引脚封装，工作电压最大可达 24V，可在 ESD和浪涌事件发生时保护 USB-PD控制器。它具有25.6V的触发电压和 70A(tp=8/20μs)的峰值脉冲电流,钳位电压VC为30V以内，且符合IEC 61000-4-2 (ESD)规范，在 ±30kV（空气）和 ±30kV（接触）下提供瞬变保护。

五、器件电气特性表

At TA = 25℃ unless otherwise noted

Parameter	Symbol	Conditions	Min.	Typ.	Max.	Units
Reverse Stand-off Voltage	VRWM		-0.5		22	V
Reverse Breakdown Voltage	VBR	IT=1mAfrom VDD/IO to GND	24.6	25.6	26.6	V
Reverse Leakage Current	IR	VRWM=22Vfrom VDD/IO to GND		0.5	60	nA
Forward Voltage	VF	IT=1mA from GND to VDD/IO	0.25	0.5	0.7	V
Forward Clamp Voltage	VFC	IPP=10A; tp=8/20μs	1	2.7	5	V
Clamping Voltage	VC	IPP=10A; tp=8/20us		25.6	26.1	V
IPP=20A; tp=8/20us		26	26.5	V
IPP=40A; tp=8/20us		26.4	26.9	V
IPP=70A; tp=8/20us		27.6	28.1	V
Dynamic Resistance	RDYN	tp=8/20us		35		mΩ
Junction Capacitance	CJ	VR=22V; f=1MHz T=25℃		115		pF

表1 ESTVS2200DRVR电气特性表

六、总结与结论

TPS25750作为常用的PD控制芯片，浪涌防护十分关键。静芯公司推出的系列TDS芯片具有接近理想状况的ESD和EOS保护特性，可以广泛应用于USB/雷电接口、工业机器人、IO-Link接口、工业传感器、IIoT设备、可编程逻辑控制器(PLC)和以太网供电(PoE)等领域，可为系统提供更全面以及更可靠的保护。目前公司推出来ESTVS2200DRVR、ESTDS2211P、ESTVS3300DRVR、ESTDS3311P等型号，欢迎客户前来咨询选购。

审核编辑 黄宇