USB Type-C連接器于五年前首次推出，當時它已被廣泛用作便攜式消費電子產品的首選連接器。這個單一的連接器為手機、平板電腦和其他便攜式設備提供數據、視頻和音頻接口。

USB Type-C 端口還提供電力輸送以操作系統、為電池充電或為連接的外圍設備供電。連接器插座具有可逆引腳配置，以消除對連接器極性的擔憂。但是，便攜式產品上的外部端口會使設備面臨多種危險、對地或相鄰連接器引腳短路、可能施加超出設計限制的電壓或信號電平以及靜電放電 (ESD)事件。

USB Type-C 連接器內非常緊湊的引腳間距或觸點間距帶來了風險和挑戰。連接器內的引腳間距為 0.5 毫米，因此很容易受到攻擊。如果插頭在插入插座時扭曲或在金屬異物接觸引腳的情況下，引腳之間可能會發生短路。任何帶有 USB 端口的便攜式產品的另一個設計問題是無法控制最終用戶可以連接到該端口的第三方外圍設備。

此類設備可能不符合 USB 或產品規格，從而損壞連接到端口的上游電路。以前，端口保護設備采用分立器件或單一用途的保護開關 IC 來保護 VBUS 和數據線。這些解決方案成本高昂，并且需要產品內部寶貴的印刷電路板空間。離散保護解決方案對于系統控制器硬件和設計標準的驗證也是資源密集型的。為了緩解這個問題，現在可以使用高度集成的端口保護設備來簡化易用性、設計任務和行業標準的驗證。一個例子是新的 KTU1125Kinetic Technologies , Inc. 像 KTU1125 這樣的器件可以增加所需的電路保護、減小組件占位面積并最終降低產品成本，同時提高產品可靠性。
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圖1：KTU1125功能框圖

USB Type-C 連接器的主要功能是將設備 VBUS 連接到外部電源以為系統供電并為內部電池充電。在許多情況下，VBUS 起到雙重作用，為連接的外圍設備供電。VBUS 引腳可施加 5 V 至 20 V 之間的輸入電壓電平，電流電平范圍為 500 mA 至 5 A，達到高達 100 W 的功率電平。

根據 USB 標準，施加到 VBUS 的初始電壓不應超過5 V。KTU1125 及其類似設備具有 6 V 的默認過壓保護 (OVP)，以防止出現故障電壓源。對于高級設計，OVP 關斷閾值可以通過 I2C 總線編程控制動態增加，以適應更高的輸入端口功率功能。

這允許設備在啟動時受到保護，還可以調整到任何給定的 OVP 級別，以支持設備運行，以承受 USB 標準的指定限制。當發生 OVP 事件時，典型的保護開關將在 100 ns 內關閉并斷開 VBUS 與系統的連接，以防止發生損壞。VBUS 保護開關的另一個關注參數是最大浪涌或關斷電壓規范。

當施加的輸入超過 OVP 閾值時，開關將關閉以保護系統。開關必須能夠承受更高的電壓水平而不會損壞，以保護自身和系統。該參數被定義為浪涌電壓規格。像 KTU1125 這樣的良好保護開關可以承受從 VBUS 到地施加高達 100 V 的電壓而不會損壞。在正常工作條件下，無論電流方向如何，VBUS 保護開關都會監控電流。如果電流超過預設水平，將觸發過流保護 (OCP)。

如果發生接地短路，OCP 電路將斷開開關并在短路消除后恢復工作。KTU1125 還為設計人員提供了先進的可編程過流限制功能，可將電流限制在預設水平，從而允許系統在受保護的條件下運行。

在關閉狀態下，VBUS 保護開關采用反向電流阻斷來防止外部連接的設備損壞系統或耗盡內部電池。當短路消除時，OCP 電路將斷開開關并恢復工作。KTU1125 還為設計人員提供了先進的可編程過流限制功能，可將電流限制在預設水平，從而允許系統在受保護的條件下運行。

在關閉狀態下，VBUS 保護開關采用反向電流阻斷來防止外部連接的設備損壞系統或耗盡內部電池。當短路消除時，OCP 電路將斷開開關并恢復工作。KTU1125 還為設計人員提供了先進的可編程過流限制功能，可將電流限制在預設水平，從而允許系統在受保護的條件下運行。在關閉狀態下，VBUS 保護開關采用反向電流阻斷來防止外部連接的設備損壞系統或耗盡內部電池。

圖 2：帶有系統中斷故障標志的典型 VBUS 過壓關斷響應

USB Type-C 標準提供位于 VBUS 引腳附近的低速數據和控制輸入/輸出線。USB Type-C 連接器的布局具有鏡像引腳的優勢，無論插頭方向如何都允許連接。但是，此功能意味著必須保護引腳免受外部不利條件以及直接短路到 VBUS 的可能性。參考圖 3，可以看到由于 0.5 毫米細的連接器間距，在靠近 VBUS 的配置控制 (CC) 和邊帶使用 (SBU) 引腳之間存在短路風險。插入 USB Type-C 插座的扭曲插頭或金屬異物可能會導致 VBUS 短路。

圖 3：USB Type-C 插座連接器

在正常情況下，施加到 VBUS 的電壓電平可高達 20 V，這很容易損壞上游 CC 和 SBU 數據線電路。但是，CC 和 SBU 引腳用于不同的功能，具有不同的保護要求。

顧名思義，CC 引腳用于功能 - 端口功能的控制和配置，可能包括電纜檢測、插頭方向、角色檢測或模式。在某些用途中，CC1 引腳可以切換為 VCONN 功能的電源。施加到 CC 引腳的典型信號電平最高可達 5 V；因此，這些引腳的 OVP 閾值通常設置為 6 V。因此，如果以大于 5 V 的電平與 VBUS 短路或當施加的信號電平超過標稱的最大值 5 V 時，端口應關閉并受到保護。

CC 引腳還應在停機后承受高達 25 V 的浪涌電壓水平而不會損壞，以符合端口標準 (IEC16000-4-5)。圖 4 顯示了 20V 熱插拔關斷保護事件。CC 或 SBU 開關的輸入側上升到 20 V，而開關斷開到輸出側以保護系統。在系統為一個 CC 引腳分配 VCONN 功能的作用下，它被設計為在 5 V 時提供高達 1.0 W 的功率。為了保護上游電池或電源，需要一個限流控制。KTU1125 通過用戶可選擇的 VCONN 限流選項提供此功能。

系統通常要求配電 (PD) 控制器監控 CC 線路以捕獲電壓降事件，以實現從 VBUS 上的灌電流到拉電流的角色交換。

USB-PD 標準規定從灌電流切換到拉電流的時間為 150 μs。這是 PD 控制器檢測角色交換、將信息傳遞給系統并讓系統做出反應以避免 VBUS 電源故障的時間。當連接到端口的設備正在傳輸易失性數據并有丟失數據的風險時，這可能是一個問題。為了減輕對 PD 控制器的依賴和系統響應時間的不確定性，以滿足 150-μs 的要求，KTU1125 具有自監控 CC 線路以適應快速角色交換 (FRS) 條件的獨特功能。

當通過 I2C 接口啟用 FRS 功能時，KTU1125 將監控 CC1/CC2 線路的 VCCn ≤ 0.49 V for 30 μs ≤ time ≤ 50 μs 的情況。當滿足 FRS 的 CC 線路條件時，KTU1125 將在 150 μs 內將 VBUS 從電流吸收器切換到電流源，以減少 VBUS 電源中斷的機會。此外，IC 提供了一個硬件 FRS 標志來提醒系統請求的功能更改。
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圖 4：CC 和 SBU 數據線 20V 熱插拔浪涌保護關斷響應

SBU 輸入通常用于交替模式功能或 DisplayPort 高分辨率視頻功能。SBU 引腳的多用途特性需要從端口到系統的 2:1 MUX，以適應上游系統的不同 DisplayPort 和交替模式功能。由于 SBU 保護開關和 MUX 對高速數據的要求，它們需要低電容特性來實現通常在 1 GHz 范圍內的高信號帶寬能力。圖 5 顯示 SBU 模擬開關差分帶寬大于 1 GHz，以保持高速數據完整性。對于 KTU1125 等保護 IC 的設計人員來說，這帶來了關鍵的設計折衷，因為產生高壓和靜電放電抗擾度的開關特性對模擬開關具有電容性和帶寬限制。

KTU1125 的設計和技術經過平衡，既可實現高帶寬信號完整性的目標，又可提供所需的高壓保護。SBU 引腳與 CC 引腳具有相同的 VBUS 和外部過壓事件風險，但需要較低的 OVP 閾值，因為標稱預期信號電平不應超過 3.6 V。為了滿足這一要求，KTU1125 提供了一個典型的 OVP 關斷閾值3.83 V 以保護上游系統。這些引腳上的關斷關態電壓保護額定值高達 24 V，因此如果在 20 V 時與 VBUS 短路，不會造成損壞。

SBU 引腳與 CC 引腳具有相同的 VBUS 和外部過壓事件風險，但需要較低的 OVP 閾值，因為標稱預期信號電平不應超過 3.6 V。為了滿足這一要求，KTU1125 提供了一個典型的 OVP 關斷閾值3.83 V 以保護上游系統。這些引腳上的關斷關態電壓保護額定值高達 24 V，因此如果在 20 V 時與 VBUS 短路，不會造成損壞。

SBU 引腳與 CC 引腳具有相同的 VBUS 和外部過壓事件風險，但需要較低的 OVP 閾值，因為標稱預期信號電平不應超過 3.6 V。為了滿足這一要求，KTU1125 提供了一個典型的 OVP 關斷閾值3.83 V 以保護上游系統。這些引腳上的關斷關態電壓保護額定值高達 24 V，因此如果在 20 V 時與 VBUS 短路，不會造成損壞。
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圖 5：KTU1125 SBU 引腳的典型差分帶寬響應

無論產品設計得多么仔細或產品如何使用，USB Type-C 端口的所有引腳都可能受到 ESD 事件的影響。沒有辦法消除 ESD 事件對便攜式產品的端口的影響，因此任何端口保護開關都必須防止 ESD 事件，以保護自身和系統。作為給定的最小值，所有開關 IC 引腳都應承受 IEC61000-4-2 最高 ±8 kV 的接觸放電水平和最高 ±15 kV 的氣隙放電水平。

在 OVP 關閉或器件被禁用時，浪涌電壓水平應遵循 IEC61000-4-5 標準，VBUS 開關為 ±100 V，CC 開關為 25 V。ESD 保護規范是產品可靠性不可忽視的重要限制。

為了完善用于 USB Type-C 端口應用的保護開關的多功能性，應考慮默認功能和可編程性。默認配置下的 KTU1125 可用于對 VBUS、CC 和 SBU 數據線進行全面保護，無需 PD 控制器進行設置控制，從而簡化低成本設計。同時，像 KTU1125 這樣的設備可以通過集成的 I2C 接口提供完整的系統控制和靈活性，并且在允許電流在 VBUS 上流動之前需要 I2C 控制。開關狀態、OVP 閾值、電流限制水平和故障狀態都可以由系統動態查詢和設置，因為條件或模式隨著連接到端口的外圍設備而變化。

對于便攜式電子產品制造商來說，最終用戶對產品品牌和數量的感知直接受到他們所購買設備的可靠性的影響。產品制造商無法控制可能連接到其設備上的 USB 端口的內容。第三方和不合規的外部電源和外圍設備可能與他們的產品一起使用，這種風險只有通過使產品盡可能堅固才能降低。便攜式產品設計人員在功能和數據端口速度與產品質量和可靠性之間取得平衡始終是一個持續的挑戰。

值得慶幸的是，IC 制造商正在加緊幫助減輕這一復雜任務。KTU1125 等設備和其他類似設備提供了針對過壓、ESD 和過流事件的強大保護。


審核編輯：劉清