不断升级的USB-C接口

不断升级的USB-C接口

根据HIS的市场研究数据，2021年全球配备USB-C接口的设备出货量接近50亿部，在智能手机、平板和笔记本电脑等数以亿计的消费电子产品及其相关配套组件中，USB-C已经成为标配。

从2015年进入商用，USB-C能够以如此快的速度占领市场、一统江湖，并不是偶然的。要说USB-C究竟好在哪？随便找来一个非专业人士的普通消费者也能摆出好几条：外形小、支持正反插、可以双向供电，数据视频传输一肩挑……当然其中尤为关键的肯定是下面这两条：数据传输的速度更快，电力传输的效率更高效。

新标准带来的新挑战

在标准定义之初，USB-IF就是以一个”具有技术前瞻性的物理接口”这样的定位来打造USB-C的。事实也表明，这些年USB在数据传输和电力传输方面标准的提升背后，USB-C提供的有力支撑功不可没。

具体来讲，经过了多年的迭代，USB的数据传输标准已经从USB 1.0的1.5Mbps、USB 2.0的480Mbps，提升到了USB 4.0的40Gbps。能够有这样的底气和迭代速度，与USB-C提供的双通道（x2）架构是不无关系的。

图：USB数据传输标准的升级之路

从电力传输方面来看，USB-C应用伊始，其支持高达100W（20V @ 5A）的USB PD协议就是一个关键的卖点。这一功能使得可以通过USB-C接口供电的设备范围大大扩展，而且也使得其成为被“能源焦虑症”困扰的智能手机提升充电功率的坚实支点。去年5月，USB-IF发布了新的USB PD 3.1标准，更是将USB-C支持的上限输出功率从之前USB PD 3.0规定的100W，提升到了240W（48V @ 5A）！如果与2010年推出的7.5W的USB BC1.2比较，在十年间USB的电力传输能力增长达32倍！

可以说，与其他的接口相比，USB-C物理接口标准与数据传输标准以及USB PC功率传输标准相互支撑，协同推进，成就了其今天稳固的江湖地位。

构筑全方位的ESD防护

不过，对于USB-C接口来说，想要全面设防ESD并不简单，其面临着一些前所未有的挑战：

图：USB-C接口ESD防护解决方案

（图源：Littelfuse）

USB 2.0线路

SuperSpeed线路

接下来我们来看看SuperSpeed线路，这几个引脚是USB-C接口实现数十Gbps数据传输速率的关键，肯定需要一颗具有尽可能低电容的保护元件，以免影响超高速数据传输的性能。因此，Littelfuse的电容仅为0.09pF的SP3213双向TVS二极管阵列成为了理想选择，它可以为超高速信号传输提供出色的信号完整性，并提供12kV的ESD防护能力，安全地吸收重复性静电放电冲击，且性能不会下降，还可以安全地耗散2A的8/20μs浪涌电流（IEC 61000-4-5第2版）。同时，由于采用紧凑的μDFN-2表面贴装封装，满足小型化的设计要求也不在话下。

SBU和CC线路

我们要考虑的第三种情况是供边带使用（SBU）和配置通道（CC）的线路，它们虽然也是信号传输通道，但是与USB 2.0和SuperSpeed线路相比，数据传输速率比较低，因此可以选择电容较高的TVS器件，以便在性能和成本上实现极佳的平衡。Littelfuse的SP1006单向TVS二极管阵列正好可以满足这个要求，其同样采用0201尺寸μDFN-2封装，可以安全吸收30kV的可重复性ESD接触放电，并安全地耗散5A的8/20μS浪涌电流，钳位电压很低。

Vbus线路

前文曾经提到，新的USB PD 3.1标准将支持的上限功率扩展到了240W，相应地线路上的上限电压也提升到了42V。面对这一新变化，ESD器件的耐压能力当然也要升级。为此，Littelfuse的SMBJ TVS二极管可堪重用，它具有高达600W的峰值额定功率，可以吸收高达30kV的ESD冲击，表面贴装的封装也确保了其足够“纤细”的外形。

有了上述这些TVS二极管器件的全面守护，USB-C接口的ESD防护可以说是高枕无忧了。

不同以往的过热保护

随着USB-C支持的功率水平不断升级，另一个可靠性风险也会增加，这就是连接器插头和插座的过温（过热）。

USB-C连接器互连密度高（引脚间距仅有0.5mm），作为电子设备与外界的接口，更容易受到污垢和灰尘等杂质的污染，从而导致电源与接地之间的电阻性故障。Vbus线路上承载的功率越高，USB连接器的过热风险也就越大，这不仅可能会损坏连接器、电缆和连接端口中的元器件，过高的温度还可能会熔化连接器，甚至引发火灾。

传统的防止USB接口线缆过热的方法，是在Vbus电源线上装配一个PPTC可恢复式保险丝或者一个小型断路器，它们被内置在连接器内部的一个PCB线路板上去监测可能带来风险的温升。

不过当功率提升到100W以上时，这种方法的短板就显现出来了。这主要是因为，串联在电源线上的这些保护元件具有内阻，即使仅有几毫欧的内阻，在高功率的线路上也会造成显著的功率损耗，这就让设备制造商应对越来越严苛的能耗标准的难度加大。

因此，想要实现可靠的USB-C连接器过热保护，必须有些新办法。Littelfuse对此给出的解决方案就是独特的setP™数字温度指示器。

图：setP™温度指示器的电阻-温度曲线

（图源：Littelfuse）

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