汽车类 USB 2.0 接口保护器件 TPD3S713-Q1 和 TPD3S713A-Q1 深度解析

在汽车电子领域，USB 接口的稳定性和安全性至关重要。TPD3S713-Q1 和 TPD3S713A-Q1 作为具有可调节限流和 $V_{BATT}$ 短接保护功能的汽车类 USB 2.0 接口保护器件，为汽车 USB 应用提供了可靠的解决方案。本文将对这两款器件进行详细介绍，希望能为电子工程师在相关设计中提供有益的参考。

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器件特性与优势

全面保护功能

TPD3S713x-Q1 符合面向汽车应用的 AEC - Q100 标准，能在汽车 USB 集线器、音响主机、远程信息处理和媒体接口应用中，为高速数据和电力线提供电池短路、短路和 ESD 保护。它能隔离内部系统电路，防止其受到 $V{BUS}$、$DP{IN}$ 和 $DM_{IN}$ 引脚上任何过压情况的影响，可处理高达 18V 的过压，并关闭内部开关，保护上游收发器。

高速数据传输

集成的数据开关提供了高达 1.2GHz 的带宽，能够在 USB 发生电池短路时最大限度地减少信号衰减，可利用汽车 USB 环境中常见的长系留线缆来实现干净的 USB 2.0 高速 480Mbps 眼图，确保数据传输的稳定性。

灵活的限流功能

$V_{BUS}$ 引脚提供灵活的可调节限流负载开关，电流范围从 50mA 到 600mA，可根据端口需求调整电流，节省系统功率预算。

良好的 ESD 防护

符合 IEC 61000 - 4 - 2 标准的 $DP{IN}$、$DM{IN}$ 和 $V_{BUS}$，能承受 ±8kV 接触放电和 ±15kV 空气放电，同时也符合 ISO 10605(330pF,330Ω)标准，为器件提供了可靠的静电防护。

引脚配置与功能

器件采用 20 引脚 QFN (3mm × 4mm) 封装，各引脚具有不同的功能。例如，$IMON$ 引脚可作为模拟电流监测，$IN$ 引脚为输入电源电压，$CS$ 引脚用于线性电缆补偿电流等。详细的引脚功能如下表所示：	PIN	NO.	TYPE(1)	DESCRIPTION
$IMON$	1	O	该引脚提供流经内部 FET 的电流的按比例缩小值。从该引脚到 GND 的电阻将电流转换为成比例的电压，用作模拟电流监测。
$IN$	2,3	PWR	输入电源电压，尽可能靠近 IC 从 $IN$ 到 $GND$ 连接一个 0.1μF 或更大的陶瓷电容。
$DM_OUT$	4	I/O	到上游 USB 主机控制器的 DM 数据线
$DP_OUT$	5	I/O	到上游 USB 主机控制器的 DP 数据线
$CS$	6	O	线性电缆补偿电流。连接到前端 DC - DC 转换器的分压电阻
$EN$	7	-	逻辑电平控制输入，用于打开或关闭电源和信号开关。当 $EN$ 为低电平时，器件禁用，信号和电源开关关闭。
$ILIM_SEL$	8	-	逻辑电平控制输入，用于选择限流电阻和限流阈值。当 $ILIM_SEL = High$ 时，$ILIM_HI$ 电阻有效；当 $ILIM_SEL = Low$ 时，$ILIM_LO$ 电阻有效。
$INT1$	9	-	逻辑电平控制输入，可通过引脚配置将器件设置为正常模式或客户端模式。如果 $INT1 = high$，器件处于正常模式；如果 $INT1 = low$ 且 $ILIM_SEL = Low$，器件处于客户端模式。
$INT2$	10	I	用于内部电路，必须在没有下拉电阻的情况下连接到地。
$GND$	11	-	接地连接，必须外部连接到散热垫。
$BIAS$	12	PWR	用于 IEC 保护。通常，从该引脚到地连接一个 2.2μF 电容，并通过一个 5.1kΩ 电阻连接到 $BUS$。
$DP_IN$	13	I/O	到下游连接器的 DP 数据线
$DM_IN$	14	I/O	到下游连接器的 DM 数据线
$BUS$	15,16	PWR	电源开关输出
$NC$	17	NC	不连接，悬空或连接到地
$FAULT$	18	O	低电平有效、开漏输出，在过温、过流和过压条件下置低
$ILIM_HI$	19	I	用于设置高限流阈值的外部电阻，由 $ILIM_SEL$ 引脚选择
$ILIM_LO$	20	I	用于设置低限流阈值的外部电阻，由 $ILIM_SEL$ 引脚选择

规格参数详解

绝对最大额定值

规定了器件在各种引脚电压和电流方面的极限值，如电压范围在 - 0.3V 到 7V 或 18V 等，连续电流也有相应的限制。超过这些额定值可能会对器件造成永久性损坏。

ESD 评级

具有良好的 ESD 防护能力，如人体模型 (HBM) 可达 ±2000V，带电设备模型 (CDM) 可达 ±750V，符合 IEC 61000 - 4 - 2 和 ISO 10605 标准的接触放电和空气放电要求。

推荐工作条件

建议的工作电压范围为 4.5V 到 5.5V，工作结温范围为 - 40°C 到 125°C，输出连续电流等参数也有相应的限制，在这些条件下使用能确保器件的正常性能。

电气特性

包括输出功率开关的导通电阻、反向泄漏电流，输入引脚的逻辑阈值电压、滞回等参数，以及各种保护功能的触发阈值和响应特性等。

典型特性

通过一系列图表展示了器件在不同温度和负载条件下的性能表现，如功率开关导通电阻与温度的关系、反向泄漏电流与温度的关系等，为工程师在实际应用中评估器件性能提供了参考。

功能特性详细介绍

故障响应

器件具有低电平有效、开漏的故障输出 $FAULT$，在过温、过流或过压等故障条件下置低。不同的故障情况对应不同的处理方式，如数据线上过压时，TPD3S713 - Q1 会关闭 USB 数据开关和内部电源开关，而 TPD3S713A - Q1 仅关闭 USB 数据开关，内部电源开关保持开启。

电缆补偿

当负载通过长或细的电线吸取电流时，会产生 IR 压降，影响负载端的电压。TPD3S713 - Q1 可检测负载电流，并通过一个与负载电流成比例的吸收电流来调整上游稳压器的输出电压，补偿充电路径中的 IR 压降。设计时需要根据总电阻等参数计算相关电阻值，并选择合适的电容来稳定输出电压。

DP 和 DM 保护

提供 ESD 和过压保护 (OVP)。$DP{IN}$ 和 $DM{IN}$ 引脚可提供高达 ±15kV (空气放电) 和 ±8kV (接触放电) 的 ESD 保护，其性能受外部因素影响，如寄生电阻和电感等。同时，当发生过压情况时，会触发保护机制，防止损坏上游 USB 收发器或集线器。

过流保护

检测到过流情况时，器件会维持恒定的输出电流，并相应降低输出电压。可能出现两种过载情况，无论哪种情况，电流限制电路响应后，器件将工作在恒流模式，只有当故障持续时间足够长触发热限制时才会完全关闭，待结温下降约 20°C 后重新启动。

欠压锁定

欠压锁定 (UVLO) 电路可在输入电压达到开启阈值之前禁用电源开关，内置的滞回功能可防止因大电流浪涌导致的输入电压下降而引起的输出振荡。

热关断

有两个独立的热传感电路，当温度超过推荐工作条件时，可保护器件。第一个热传感器在器件处于限流状态且管芯温度超过 135°C 时关闭电源开关，第二个热传感器在管芯温度超过 155°C 时关闭电源开关，且都具有 20°C 的滞回功能。

限流设置

TPD3S713x - Q1 有两个独立的限流设置，可通过外部电阻进行调整。$ILIM_HI$ 和 $ILIM_LO$ 分别通过连接到 $GND$ 的电阻 $R{(ILIM_HI)}$ 和 $R{(ILIM_LO)}$ 进行设置，由 $ILIM_SEL$ 引脚选择。设计时需考虑电阻的公差对限流的影响。

器件功能模式

包括正常模式和客户端模式。在客户端模式下，内部电源开关关闭，信号开关开启，适用于通过 USB 端口进行软件升级。数据开关在客户端和正常模式下均开启，但仅适用于 USB - 2.0 差分对，对于 USB - 3.0 主机，超高速差分对需直接路由到 USB 连接器，不通过 TPD3S713x - Q1 器件。

应用与实施建议

典型应用

常用于汽车 USB 充电端口，为 $V_{BUS}$、$DP$ 和 $DM$ 引脚提供保护，防止过流、ESD 和电池短路等情况，保护上游 DC - DC 转换器和汽车 SOC 或集线器芯片。

设计步骤

在选择外部组件时，需要考虑输入电容、输出电容、$BIAS$ 电容和 TVS 等。输入电容应根据预期的瞬态条件进行选型，并保持与 DC - DC 转换器的路径短，以减少电压降；输出电容可控制电压下冲，对于 USB 端口应用，应选择低 ESR 电容；$BIAS$ 电容有助于提高 IEC ESD 性能；TVS 可用于保护 $BUS$ 和 $BIAS$ 引脚，防止电压超过 18V。

电源供应建议

电源供应的额定电流应高于限流设置，以避免在过流或短路情况下出现电压降。

布局指南

布局时应遵循一些最佳实践，如输入和输出功率走线应尽量短而宽，输入电容应靠近 $IN$ 引脚，连接到 $ILIM_HI$ 和 $ILIM_LO$ 引脚的电阻应使用 1% 低温度系数电阻，且走线应尽量短，避免与开关信号耦合。同时，要考虑 ESD 防护、TVS 放置和高速数据线的布线等问题，以确保器件的性能和稳定性。

总之，TPD3S713 - Q1 和 TPD3S713A - Q1 为汽车 USB 接口提供了全面的保护和良好的性能。电子工程师在设计过程中，应充分了解器件的特性和参数，根据实际应用需求进行合理的选型和布局，以确保系统的可靠性和稳定性。大家在使用这两款器件的过程中，有没有遇到过什么特别的问题呢？欢迎在评论区分享交流。