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TPD2S300单芯片USB Type-C连接器端口保护解决方案

  • 发布日期:18-08-14 17:13
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  USB Type-C™连接器应用于笔记本电脑甚至机顶盒变得越来越普遍,但随着它应用于小尺寸应用程序,如手机、穿戴设备或其他便携式电子设备,系统设计人员具有不同的设计考虑。他们的挑战是如何利用众多的新功能,包括更高的功率传递;可逆连接器;更高的数据速率;以及运行高清晰度多媒体接口(HDMI)、DisplayPort和Thunderbolt等备用模式的选项,同时不断减少自身系统的外形尺寸和功耗。
 
  自从 USB Type-C 连接器发布以来,市场上已经发布了很多不符合 USB Type-C 规格的 USB Type-C 产品和配件。其中的一个例子就是在 VBUS 线路上提供 20V 电压的 USB Type-C 电力输送适配器。关于 USB Type-C 的另一个问题是,由于此小型连接器中的各引脚极为靠近,因此连接器的机械扭转和滑动可能使引脚短路。这可能导致 20V VBUS 与 CC 引脚短路。此外,更为严重的是,由于 Type-C 连接器中的各引脚极为靠近,碎屑和水气可能会导致 20V VBUS 引脚与 CC 引脚短路。
  
  新型USB Type-C连接器除了用于USB Type A或Micro-USB连接器的标准静电放电(ESD)保护外,还具有挑战性的保护考虑。由于USB Type-C连接器的管脚间距如此之小,因此可能会将高电压VBUS电源管脚短路到附近的数据管脚。而且由于通过VBUS电源传送(PD),VBUS电源管脚可达到20V,5A,因此将VBUS短路到配置通道(CC)或边带使用(SBU)管脚对下游PD控制器来讲将是灾难性的,因为PD控制器并不能处理这些管脚上的较高电压(图1)。

将VBUS短路到CC和SBU管脚将导致下游电路故障
  这些非理想的设备和机械事件使得 CC 引脚必须能够承受 20V 的电压,即使它们仅在 5V 或更低电压下工作。通过在 CC 引脚上提供过压保护,TPD2S300 可以使 CC 引脚耐受 20V 的电压,而不会干扰正常工作。该器件将高压 FET 串联放置在 CC 线路上。当在这些线路上检测到高于 OVP 阈值的电压时,高压开关被打开,从而将系统的其余部分与连接器上存在的高压状态隔离。

  最后,大多数系统都需要为其外部引脚应用 IEC61000-4-2 系统级 ESD 保护。TPD2S300 为 CC1 和 CC2 引脚集成 IEC 61000-4-2 ESD 保护,因此无需在连接器上通过外部放置高压 TVS 二极管。在手机、可穿戴式或其他便携式电子设备应用中,当实施解决方案以保护PD控制器免受过电压DC或瞬态事件的影响时,电路板空间和功耗限制引起数个设计挑战。例如:该解决方案必须能够存续并保护下游电路,直到允许的最大充电电压和电流(20V和5A),因为在建立PD合同之前,市场上具有可输出20V的不合规适配器。该解决方案必须是低功耗,因此它不会耗尽电池寿命,这在移动和可穿戴应用中尤为重要。该解决方案必须占用电路板最小的面积。由于USB Type-C连接器的管脚数(24管脚)和细微管脚间距(0.5mm),当部件占用电路板太多面积时,布局会面临挑战。考虑到所有这些因素,TI已创建了TPD2S300:一个单一的小尺寸、低功耗集成解决方案,为USB Type-C控制器上的CC1和CC2管脚提供保护。TPD2S300是一个双通道集成电路,可保护CC1和CC2管脚免受瞬态ESD(高达±8kV触点和±15kV气隙)和过压短路到VBUS(高达20V)的影响。与大多数标准的外部ESD器件不同,TPD2S300中的集成ESD可耐受更高的工作电压。TPD2S300提供完整的保护,无需外部ESD二极管或电阻。其1.4mm x 1.4mm晶片芯片级封装(WCSP)提供了一个节省空间的解决方案,低静态电流额定值为3μA,节省电力并延长电池寿命。您可将TPD2S300与其他保护装置(如TPD1S514(过压+冲击+VBUS的ESD保护)和ESD122 (双通道低电容ESD保护))配对,为USB Type-C连接器提供一体式解决方案(图2)。
USB Type-C连接器的一体式解决方案

 
USB Type-C连接器为技术世界带来了无数的可能性和机会。然而,由于这些优势,也会带来保护挑战,这可能会减缓USB Type-C的设计开发。若未妥善解决,这些挑战甚至可能导致现场故障。TI已将所有这一切考虑在内,并设计了一种简单易用的集成解决方案,因此您不需担心。
 
 
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