新世代USB Type-C充電裝置 集成完整防護方案
- 尤嘉禾
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近期，充電裝置被廣泛應用在行動電話、平板電腦、電動車、筆記型電腦等電子產品裝置上，而在充電裝置的應用上，USB插頭是目前最被廣泛使用的連接器(connector)，但是USB Type-C連接阜的插頭則是最近最火熱的明星，因為它不只支援高速的資料及影像傳輸，更能支援超高功率的傳遞(Power delivery；PD)(註1)及正反插拔的應用，它是一種全新的插頭、插拔及傳輸線的標準，而且與既有的USB介面相容。本篇文章將討論這種全新USB Type-C連接器的特徵及其能力，並探討它潛在容易對系統造成損壞及故障，最後並提出完整解決方案。
USB Type-C連接器的第一項優點是它是一種對稱性的結構，形成一種可以正反插拔的小尺寸插頭。它能夠支援主機(host)或裝置 (device)模式，共有24根引腳，對稱的分布於連接器上下兩邊，其尺寸與Micro-USB差不多。
USB Type-C連接器的第二項優點則是支援超高功率的傳遞，比傳統USB連接器要高出很多，在高階的應用上，USB Type-C的標準可以支援的功率延伸到100瓦，而且允許功率輸出的源頭(source)可以動態的調整電流範圍從0.5A？5A，而Vbus上的最高電壓則為20V，如此可讓終端產品從桌上型電腦到行動電話都能應用並能快速充電，增加生活上的便利性。
USB Type-C的潛在風險
雖然USB Type-C 連接器有上述幾項優點，但是它也有潛在的風險。它的第一項風險是它是一種引腳到引腳間距很小的對稱性結構，在USB Type-C中，引腳到引腳間距只有很小的0.5mm，這個間距只有USB Type-A 連接器間距的20%，這麼小的間距很容易在碰觸或插拔的過程中，造成引腳與相鄰引腳間的瞬間短路，尤其是與Vbus相鄰的引腳(CC1, CC2, SBU1, SBU2)，如圖一所示。
而這種短路的發生很容易在實驗室的測試中常重複出現。此外，第二項風險則是由於引腳的老化，容易造成引腳受力扭曲變形，這也會發生Vbus與相鄰的引腳短路，進而破壞內部系統。
而第三項風險則是來自於山寨的功率適配器(power adaptor)，這種適配器可能不符合Type-C相容性的規範，在與PD溝通之前就先輸出20V的電壓在Vbus上，這會對只有支援5V的裝置造成破壞。
又或者這種適配器可能直接把CC的引腳拉高的電壓直接短路至Vbus上，而不是經由降壓電路的輸出電壓，這也會對內部系統造成破壞。為了解決上述幾項會造成系統損壞的風險，在 USB Type-C連接器的應用上需要有適當的防護措施，以下將提出完整的解決方法。
USB Type-C潛在風險的解決方案
首先須認知USB Type-C是一個熱插拔的系統，因此，連接器的元件端容易受到ESD或EOS事件的破壞。所以為了解決上述幾項提過會造成系統損壞的風險之外，Type-C連接器所有的引腳(除了GND)當然也不例外需具備ESD或EOS的防護功能。
另外為了解決上述系統損壞的風險，CC與SBU引腳對應到的電路或元件需能耐受20V以上的直流電壓，因為目前市場上所有USB PD的控制器(controller)，其CC與SBU的耐受能力都在6V以下。
因為需考慮CC與SBU引腳要耐受20V以上的直流電壓(註2)，所以包含結合過電壓保護(OVP)及IEC ESD防護的方法才是最佳的Type-C系統整合方案。
不過對Type-C充電裝置而言，在結合過電壓保護(OVP)及IEC ESD防護能力的方案中，需特別注意CC及SBU引腳相對應的ESD防護電路的TLP曲線，需符合不會有突然拉回(snapback)的現象，如圖二所示。因為如果會突然拉回，在短路到Vbus時，會發生大電流的導通，導致CC與SBU內部系統的損壞。(本文由晶焱科技設計研發部鄭俊一提供，DIGITIMES尤嘉禾整理報導)
