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USB Power Delivery 3.1 的保護方案

  • 尤嘉禾台北

圖一 、USB PD3.1 ESD/EOS防護元件。晶焱
圖一 、USB PD3.1 ESD/EOS防護元件。晶焱

USB-IF協會發布了USB PD3.1快充協議標準,其中有關供電能力的內容,快充協議中分別定義標準功率範圍(Standard Power Range)最大充電功率保持100W不變,以及擴展功率範圍(Extended Power Range)新增28V、36V、48V三個電壓,所對應的電流均為 5 安培,因此最大輸出功率從100W擴展至 240W。

USB PD3.1規範的推出,未來不會僅侷限在於個人電腦、筆記型電腦、平板、及智慧型手機等消費型的應用,將會帶領USB PD快充進入一個更大的市場,比如電動工具機或兩輪電動車等領域。而USB PD3.1主要是建構在USB Type C的實體接口上,除了可以將傳輸速率最高提升到120Gbit/s,而且還可快速充電,最大供電為240W。此接口在系統上是外露給使用者隨時可以插拔的接口,使用者最普遍的應用就是隨插即用、隨拔即關,然而這個熱插拔動作卻也經常是造成電子系統工作異常、甚至造成USB Type C控制元件毀壞的元兇,因為EOS(Electrical Over Stress)等暫態雜訊突波經常就是來自這個熱插拔動作。

圖二、 USB PD3.1介面的EOS解決方案保護線路。晶焱

圖二、 USB PD3.1介面的EOS解決方案保護線路。晶焱

由於電子產品已迅速深入全球各個角落,但許多偏遠地區因基礎建設不佳,或是氣候極端的影響,電子產品遭受EOS(Electrical Over Stress)突波的機率大大提高,所導致返修率也隨之提升。 EOS通常產生於AC/DC電源干擾、電源雜訊或前述提及過的熱插拔等事件,而目前EOS測試的標準主要是採用IEC61000-4-5的規範,測試電壓波形為1.2/50us和電流波形為8/20us。部分品牌廠除了制定內規的ESD Direct-Pin Injection方式測試外,還會額外增加EOS Direct-Pin Injection方式測試。

對於USB PD3.1的介面而言,在選擇ESD/EOS保護元件時必須考慮到:

1、最重要的參考參數是ESD and EOS clamping voltage,ESD/EOS保護元件若要能對系統提供有效保護,除了防護元件本身要能承受夠高的ESD/EOS轟擊外,還需要考慮箝制電壓是否夠低,使得ESD/EOS的能量能被箝制在更低的電壓以防止系統內部電路受到損毀,此箝制電壓是判斷ESD/EOS保護元件對於系統電路保護效能最重要的參數。

2、此介面可提供快速充電需求,分別可以支援5V/9V/15V/20V/28V/36V/48V等不同電壓。充電時因頻繁的熱插拔動作可能在電源線上產生頻繁ESD/EOS威脅,因此在系統設計時不僅需考量ESD問題,亦需在系統上採用更加完善的外部突波ESD/EOS保護方案設計。

晶焱科技擁有先進的ESD/EOS防護設計技術,特別針對USB PD3.1的防護需求,推出不同電壓的ESD/EOS防護元件,如圖一所示。此接口可提供快速充電,在電源端不能只考慮ESD的影響,而是需選用一顆含括EOS防護能力的元件,依據設計的電壓來選用合適的ESD/EOS元件來保護,就可以保護此接口不受ESD/EOS的威脅,圖二即為完整的USB PD3.1介面的EOS解決方案保護線路。

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