TPD4S480：USB Type - C端口保护的理想之选

在电子设备飞速发展的今天，USB Type - C接口凭借其强大的功能和便捷性，成为了各类设备的主流配置。然而，随之而来的端口保护问题也日益凸显。今天，我们就来深入了解一款优秀的USB Type - C端口保护器件——TPD4S480。

文件下载：tpd4s480.pdf

一、TPD4S480概述

TPD4S480是一款单芯片USB Type - C端口保护器件，它能够提供48V VBUS短路过压保护和IEC ESD保护。由于USB Type - C连接器引脚间距小，以及市场上存在不符合标准的USB Type - C电缆和配件，VBUS引脚可能会与CC和SBU引脚短接，这就要求CC和SBU引脚能够耐受48V电压。TPD4S480正好满足了这一需求，为USB Type - C端口提供了可靠的保护。

二、特性亮点

（一）多通道保护

1. 4通道VBUS短路过压保护：TPD4S480为USB Type - C连接器的CC1、CC2、SBU1和SBU2引脚（或CC1、CC2、DP和DM引脚）提供4通道VBUS短路过压保护，能够耐受63VDC电压。这一特性考虑到了USB PD规范中VBUS电压在转换期间可能升高的情况，为短路事件提供了足够的裕度。在VBUS短路事件中，由于热插拔产生的振铃现象可能导致电压超过稳定电压两倍，而TPD4S480内置的电路保护功能和二极管钳位能够有效处理振铃，将峰值振铃限制在约53V，同时其内部集成的过压保护FET可耐受63V电压，确保能够承受热插拔电压高达51VDC的VBUS短路热插拔事件。
   • 思考：在实际应用中，如何更好地利用这一特性来提高系统的稳定性呢？
2. 4通道IEC 61000 - 4 - 2 ESD保护：针对CC1、CC2、SBU1和SBU2引脚集成了四通道IEC 61000 - 4 - 2 ESD保护，无需再在连接器上放置高电压TVS二极管，为USB Type - C端口提供了全面的ESD保护。

（二）CC过压保护FET支持VCONN电源电流

USB Type - C连接器的CC引脚在配置为提供电源时称为VCONN，TPD4S480的CC过压保护FET能够处理最高600mA的电流，并且具有足够低的RON，可为有源电缆提供符合规格的VCONN电压，满足了有源电缆在VBUS线路传输大电流或使用超高速线路时的电源需求。

（三）集成CC无电电池电阻器

当USB Type - C连接器是电池供电设备的唯一电源时，即使电池电量耗尽，设备也必须能够通过该连接器进行充电。TPD4S480集成了高电压、电池无电RD下拉电阻器，在电池无电时为充电提供了保障。如果需要支持无电电池，只需将RPD_G1引脚短接至C_CC1引脚，并将RPD_G2引脚短接至C_CC2引脚。当系统电源恢复时，TPD4S480会在3.5ms内导通其OVP FET，然后关断其无电电池RD。

• 疑问：在实际设计中，如何确保无电电池充电功能的稳定性和可靠性？

（四）EPR适配器

TPD4S480集成了VBUS分压器和EPR阻断FET栅极驱动器，可使引脚容差低于EPR要求的PD控制器用于EPR应用。通过将EPR_EN引脚置为有效或当VBUS引脚超过EPR_THRESH_R时，可启用EPR适配器功能。VBUS分压器可提供VBUS的分压输出，使连接的PD控制器可以安全地检测EPR电压；EPR阻断FET栅极驱动器在EPR模式下禁用，将非EPR容限电路与VBUS隔离开来，在SPR模式下启用，将低压元件连接到VBUS。

三、引脚配置与功能

TPD4S480采用3mm×3mm QFN封装，具有20个引脚，各引脚功能明确，如下表所示：	引脚编号	引脚名称	类型	说明
12	CC1	V/O	CC1 OVP FET的系统侧，连接到CC/PD控制器的任一CC引脚
11	CC2	V/O	CC2 OVP FET的系统侧，连接到CC/PD控制器的任一CC引脚
4	C_CC1	V/O	CC1 OVP FET的连接器侧，连接到USB Type - C连接器的任一CC引脚
5	C_CC2	V/O	CC2 OVP FET的连接器侧，连接到USB Type - C连接器的任一CC引脚
1	C_SBU1	V/O	SBU1 OVP FET的连接器侧，可连接到USB Type - C连接器的任一SBU引脚或USB2.0引脚
2	C_SBU2	V/O	SBU2 OVP FET的连接器侧，可连接到USB Type - C连接器的任一SBU引脚或USB2.0引脚
15	SBU1	V/O	SBU1 OVP FET的系统侧，可连接到SBU多路复用器的任一SBU引脚或USB2.0 PHY的任一USB2.0引脚
14	SBU2	V/O	SBU2 OVP FET的系统侧，可连接到SBU多路复用器的任一SBU引脚或USB2.0 PHY的任一USB2.0引脚
7	RPD_G1	V/O	若需要无电电池电阻器，短接至C_CC1；否则短接至GND
6	RPD_G2	V/O	若需要无电电池电阻器，短接至C_CC2；否则短接至GND
9	FLT	O	用于故障报告的开漏输出
8、13、18	GND	GND	接地
3	VBIAS	P	用于ESD支持电容器的引脚，需在该引脚与接地之间连接一个0.1pF电容器
10	VPWR	P	2.7V至4.5V电源
20	VBUS	-	EPR VBUS分压器的输入，连接到USB - C插座VBUS引脚
19	VBUS_LV	O	EPR VBUS分压器的输出，当EPR_EN置为有效时，由VBUS分压得到；无效时等于VBUS
16	EPR_EN	I	EPR模式使能输入
17	EPR_BLK_G	O	栅极驱动器输出至可选VBUS阻断FET
散热焊盘	GND	在内部连接到GND，用作散热器，连接至PCB GND平面

四、规格参数

（一）绝对最大额定值

在使用TPD4S480时，需要注意其绝对最大额定值，超出这些值运行可能会对器件造成永久损坏。例如，输入电压EPR_EN的范围为 - 0.3V至6.0V，VPWR为 - 0.3V至5V等。

（二）ESD等级 - IEC规格

TPD4S480在ESD保护方面表现出色，C_CC1、C_CC2和C_SBU1、C_SBU2引脚的接触放电可耐受 ± 8000V，气隙放电可耐受 ± 15000V，雷击和浪涌方面，C_CC1、C_CC2为 ± 65V，C_SBU1、C_SBU2为 + 65/ - 35V。

（三）建议运行条件

为了确保器件的正常运行，建议在一定的条件下使用。如VPWR的范围为2.7V至4.5V，VBUS为0至51V等。

（四）热性能信息

了解器件的热性能信息有助于合理设计散热方案。TPD4S480的结至环境热阻为44.7°C/W，结至外壳（顶部）热阻为41.8°C/W等。

（五）电气特性

TPD4S480的电气特性涵盖了CCOVP开关、SBUOVP开关、EPR适配器、电源和漏电流等多个方面。例如，CCOVP FET的导通电阻在CCx = 5.5V、TJ ≤ 85°C时，典型值为272mΩ，最大值为420mΩ。

（六）时序要求

在系统设计中，时序要求至关重要。如从VPWR UVLO电压上升到CC和SBU OVP FET导通所需的时间，CCx引脚上的OVP响应时间等都有明确的要求。

五、应用与实施

（一）应用领域

TPD4S480适用于多种设备，包括台式计算机/主板、标准笔记本电脑、Chromebook和WOA集线站、端口/线缆适配器和加密狗、智能手机等。

（二）典型应用示例

以USB Type - C DRP端口的保护为例，该端口配备USB PD且充电功率为240W。使用TPD4S480时，需要注意以下设计要点：

1. VBIAS电容器选型：VBIAS引脚需要VBUS额定电压至少为63V的电容器，建议使用100V X7R电容器，以确保在VBUS短路事件期间不会损坏，同时提高电容器的降额性能。
2. 电池无电运行：若要支持240W的电池无电运行，需连接TPD4S480的内置无电电池电阻器，将RPD_G1引脚短接至C_CC1引脚，并将RPD_G2引脚短接至C_CC2引脚。当电源适配器检测到无电电池电阻器后，会为TPS26750供电，开启PD控制器并允许电池开始充电。
3. CC线路电容：USB PD规定CC线路上正常运行所需的总电容值应在200pF至600pF之间，因此需要合理配置TPS26750、TPD4S480和外部电容器的电容值。
4. CC和SBU线路上的额外ESD保护：如需添加额外的IEC ESD保护，必须使用反向关断电压高于50.9V的高压ESD保护二极管，不建议使用最小触发电压低于96V的快速大幅反向二极管。
5. FLT引脚运行：当C_CCx或C_SBUx引脚上发生VBUS短路时，FLT引脚会在20μs（典型值）内置为有效，建议通过强制USB PD控制器分离来移除VBUS，以减少对其他设备或电缆的损坏。
6. 未使用引脚连接：若任一RPD_Gx引脚未使用，必须连接到GND。

（三）电源相关建议

VPWR引脚为TPD4S480内部的所有电路供电，建议将1μF去耦电容器尽可能靠近VPWR引脚放置。如果USB PD需要在电池电量耗尽的情况下运行，TPD4S480在电池无电模式下启动时应与PD控制器共用同一电源。

（四）布局

合理的布线和布局对于保持USB2.0、SBU和CC线路信号的完整性非常重要。应将旁路电容器尽可能靠近VPWR引脚放置，ESD保护电容器靠近VBIAS引脚放置，且电容器必须连接到实心接地层。USB2.0和SBU线路应尽可能直线布线，减少弯曲。同时，要遵循标准ESD建议，使未受保护的布线远离受保护的布线，受保护的布线应直线布置，使用大半径圆角，消除尖角。

六、总结

TPD4S480凭借其出色的保护性能、丰富的功能和合理的引脚配置，为USB Type - C端口保护提供了全面而可靠的解决方案。在电子设备的设计中，合理选择和应用TPD4S480，能够有效提高系统的稳定性和可靠性，减少因端口故障带来的损失。希望广大电子工程师在实际设计中能够充分发挥TPD4S480的优势，打造出更加优秀的产品。

你在使用TPD4S480的过程中有遇到过什么问题吗？或者对于它的应用还有哪些疑问？欢迎在评论区留言讨论。