加强移动应用中USB连接器的过压保护

1. 前言

USB Type-C是一种USB接口外形标准，拥有比Type-A及Type-B均小的体积，既可以应用于PC（主设备）又可以应用于外部设备（从设备，如手机）的接口类型。USB Type-C有4对TX/RX分线，2对USBD+/D-，一对SBU，2个CC，另外还有4个VBUS和4个地线。

USB Type-C™ 正在改变我们连接和使用设备的方式。随着 USB Type-C 连接器通过 USB Power Delivery (USB PD) 获得更高电压，我们需要包括更高级别的保护，以保护关键系统组件。

要考虑的一个因素是过压保护 (OVP)，它可以防止系统中可能发生的潜在短路。OVP 的主要目的是防止 USB 2.0 数据线、配置通道 (CC) 引脚和 USB Type-C 连接器中的边带使用 (SBU) 线之间的 VBUS 短路。

连接器的可翻转性对最终用户来说具有许多优势，但连接器的设计带来了新的挑战，包括更高的引脚数和更小的尺寸，以及减小的引脚间距，这可能会带来破坏内部电路的新情况。这种风险在智能手机和平板电脑等移动应用程序中具有特别重要的意义。USB Type-C 连接器或插头受潮气或夹在针脚中的碎屑影响，可能会导致跨 USB 2.0 数据线的 VBUS 针脚短路。

2.加强USB连接器保护措施

图 1 显示了湿气在 USB Type-C 连接器中积聚的情况。存在的湿气会导致 VBUS 电源引脚和 USB 2.0 数据线短路。当开关闭合开始数据传输时，来自 VBUS 的电压将只施加到 USB 2.0 数据线。在这种情况下，没有 OVP 的解决方案会将开关后面的敏感系统组件暴露在数据线上的更高电压下。

图 1：不带 OVP 的传统 USB 开关

智能手机中快速充电实现的更高输入电压允许系统中 VBUS 上存在更高电压，从而更快地为电池充电。当存在更高的充电电压时，数据线之间的 VBUS 短路可能会损坏关键组件，例如未达到更高充电电压额定值的处理器。

不合规的 USB 电缆或电源适配器也可能引起过压事件的担忧。额定值不支持快速充电或非 USB 充电实施的电缆可能会受到过压事件的影响，或者在任何 USB PD 协商开始之前提供 20V 的适配器。

对于所有可能损坏系统的潜在情况，是否有可用的解决方案来阻止过压事件？

所述TS5USBC412对1的USB 2.0开关最多可支持24V OVP为C型USB端口（或传统的USB端口），保护需要更高电压充电从故障状况的保护的应用程序。OVP 功能旨在保护开关后面的敏感系统组件，这些组件在连接器上的 D+ 和 D- 引脚之间的 VBUS 短路时无法幸免。

回顾之前 USB Type-C 连接器上存在湿气的示例，如果在连接器和系统的其余部分之间包含 TS5USBC41，会发生什么情况？如果发生过压事件，TS5USBC41 将打开所有开关以阻止 20V 电压到达组件，从而防止对系统造成损坏。 

图 2：TS5USBC41 在过压事件期间保护系统

有两个版本的 TS5USBC41 可用：

· TS5USBC412（可支持24V OVP） 

· TS5USBC410（可支持20V OVP）

这两款器件均采用小型 1.62mm x 1.24mm 晶圆芯片级封装 (WCSP)，引脚对引脚兼容，非常适合解决方案尺寸小是关键因素的移动应用。

TS5USBC41 还针对低功耗进行了优化，可实现 10µA 的有源电流消耗，从而在智能手机和平板电脑应用中实现更长的电池寿命。

TS5USBC41 中包含的另一个关键特性是断电保护。当器件断电或电源电压 (V CC ) 为 0V 时，输入/输出 (I/O) 保持高阻态，防止错误电压到达系统并在系统上电时保持隔离. 这是保护的另一个好处，因为 TS5USBC41 始终在活动或关闭模式下为连接到设备的关键系统组件增加保护级别。

TS5USBC41 的两个版本并不是 TI 提供的唯一 OVP USB 开关。引脚对引脚变体 TS5USBC400 和 TS5USBC402 与 TS5USBC41 共享相同的架构，但将分别提供高达 16V 和 20V 的 OVP。TS5USBC400 适用于不需要完整 20V 保护的成本敏感项目或实施。

如果 USB 连接器和系统的其余部分之间没有保护，则过压事件可能会损坏关键系统组件。这在智能手机中尤其重要，因为快速充电实施可能会在 VBUS 上存在更高的电压。TI 现已提供可用于保护 USB Type-C 端口以及传统 USB 或 Micro-B 端口的解决方案。