Universal Seral BUS（USB）是一种无处不在的连接解决方案，已成为我们日常生活中不可或缺的一部分。USB因其简易便携性、传输速率快和充电功能强而应用广泛。如今，许多流行的电子设备，如智能手机、智能手表、耳机、游戏机、WIFI适配器、平板电脑和笔记本电脑，都至少具备一个USB端口。以前每个设备都需要一个专用充电器，因此在旅行时需要携带多个充电器。然而引入USB Type-C Power Delivery（USB-PD）后，彻底改变了充电功能。USB Type-C with Power Delivery可增加电力传输，使单根充电器电缆能够通过其USB端口为多个设备充电。

虽然USB-PD可以方便地使用单根电缆为多个设备充电，但增强的电力传输能力也带来了更高的风险。随着最新的USB-PD规格支持通过兼容USB电缆提供高达240W的功率传输，遭遇瞬态过电压和浪涌的可能性也相应增加。由于设备经常从USB Type-C端口插入和拔出，因此这些端口经常面临电气过载（EOS）和静电放电（ESD）事件。更高的功率水平需要为设备的USB Type-C接口和内部IC提供强大的保护措施，以防止ESD和浪涌带来的危险。本文详细介绍了降低风险并保护USB-PD中的VBUS线（电源线）的保护解决方案，确保USB Type-C端口和连接的设备在供电能力增强的情况下安全可靠地运行。

什么是 USB-PD？

USB-PD是一种基于 USB Type-C标准构建的先进快速充电技术，它基于充电规范运行，以最大限度地提高传输到连接设备的功率。USB-PD规范定义了设备如何利用 USB Type-C 连接器供电，以及如何在供电过程中识别和管理这些设备。USB-PD的一个关键特性是，它可以使设备能够在精确传输或接收电源之前通过USB Type-C连接器上的专用通信通道进行通信。这可以让设备仅获得所需的功率，防止过度充电或充电不足的问题。

1. USB Power Delivery规格

由USB实施者论坛（USB-IF）设计的USB供电（USB-PD）规范已经发展了四个版本，逐步增强了供电能力和灵活性。最初的USB-PD 1.0仅提供固定功率配置：10W（5V，2A）、18W（12V，1.5A）、36W（12V，3A）、60W（20V，3A）和100W（20V，5A）。USB-PD 2.0为标准功率范围（SPR）引入了四个固定电压电平（5V、9V、15V、20V），具有3A或5A的灵活电流选项。这种组合实现了更多通用的充电选项，功率范围从0.5W到100W不等。USB-PD 3.0进一步扩展了USB-PD 2.0的功能，提供额外的设备信息，如电源状态、电池电量和系统通知。虽然USB-PD 2.0和3.0提供了更大的动态性和灵活性，但大型设备对更高功率和更快充电的需求不断增长，因此需要USB-PD 3.1具有扩展功率范围（EPR）。3.1修订版采用了28V、36V和48V的更高电压，当选择5A为最大电流选项时，最大功率输出分别为140W、180W和240W。

2. 使用TDS的VBUS保护

USB-PD规范允许USB Type-C在主机和外围设备都支持USB-PD并使用兼容的USB Type-C电缆时，使用标准功率范围提供高达100W的功率，使用扩展功率范围提供高达240W的功率。凭借这种高功率传输能力和更快的充电速度，保护USB Type-C接口的VBUS免受ESD、瞬态过压和浪涌事件的影响至关重要，如图1所示。增强对瞬态事件的屏蔽对于保护电子设备内部的集成电路(IC)是必要的，因为这些IC极易受到ESD和浪涌的损坏。保护VBUS引脚需要一种工作电压高于总线电压、低于损坏阈值的低钳位电压和快速响应时间的ESD保护器件。此外，VBUS线路保护装置需要具有高ESD耐压以满足IEC 61000-4-2规范、高峰值脉冲电流能力以满足IEC 61000-4-5规范，以及符合IEC 61000-4-4规范的高电气快速瞬变（EFT）耐压。

图1 使用TDS为USB Type-C进行VBUS保护

      湖南静芯半导体提供各种TDS产品系列，以保护USB Type-C连接器的高速数据线、CC/SBU线和D+/D-线。与传统的TVS二极管不同，TDS在温度范围内具有出色的钳位电压特性和稳定性，超越了传统的TVS二极管。

传统TVS二极管与TDS的比较

传统的TVS二极管依赖于其内部的PN结二极管进行反向击穿和浪涌电流泄放，总钳位电压由反向击穿电压和峰值脉冲电流乘以动态电阻决定。如图2所示，钳位电压随着峰值脉冲电流（I_PP）的增加而上升，同时伴随着动态电阻的上升。与反向击穿电压相比，较高的动态电阻会导致钳位电压显著升高。然而温度也是一个不可忽视的关键因素，在高温状态下传统TVS二极管的钳位电压也会增加，而高钳位电压可能最终导致热失控问题。

图2 (a) 传统TVS二极管的电气模型，(b) 传统TVS二极管的关断、击穿和钳位电压

图3 (a) TDS框图，(b) TDS的关断、击穿和钳位电压

      TDS的工作方式与TVS二极管不同，TDS不再使用传统的PN结作为击穿机制与浪涌电流泄放通路。相反，TDS采用浪涌额定金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）进行浪涌电流泄放，以触发电路作为主要钳位元件。这整个过程就像一个电压控制开关。如图3所示的触发电路不断侦测受保护端口的电压，当检测EOS事件时激活内置的MOSFET。触发电路的设计方式使钳位电压略大于比反向击穿，因此即使有更多的浪涌电流流过TDS时，钳位电压也不会像传统的TVS二极管那样增加（图3）。除此之外，由于采用浪涌额定金属氧化物半导体场效应晶体管进行浪涌电流泄放，其漏电流和温度特性都优于PN结，因此TDS钳位电压、漏电流以及温度特性相比于传统TVS二极管更具优势。

TDS的优点

湖南静芯半导体的TDS具有显著的性能优势，可保护USB-PD VBUS线路免受ESD和浪涌事件的影响。一个优点是TDS工作在额定峰值脉冲电流范围内几乎恒定的钳位电压。在图4中可以看到，传统TVS二极管的钳位电压随着峰值脉冲电流的增加而增加，相比之下，TDS钳位电压保持恒定，直到达到最大峰值脉冲电流。TDS中的MOSFET的导通电阻与峰值脉冲电流成反比。因此，导通电阻和峰值脉冲电流的乘积即钳位电压，其在整个范围内几乎保持恒定，这带来了显著的优势。在通过USB-PD充电的同时保护高压应用，将损坏主机和外围设备的风险降至最低。

图4 TDS和传统TVS二极管的峰值脉冲电流 vs. 钳位电压

      TDS的钳位电压通常比传统TVS二极管的钳位电压低30%。如图5所示，钳位电压的定义是在最大峰值脉冲电流导通期间TVS二极管上的最大电压降。较低的钳位电压表示更好的保护，它为系统中的其他组件创造了更大的安全余量。当USB-PD规范允许USB Type-C充电高达20V至48V时，较低的钳位电压是ESD保护设备中需要选择的关键参数。

图5 TDS和传统TVS二极管的钳位电压比较

      另一个优点温度变化对TDS的影响非常小。传统TVS二极管的钳位电压随温度的上升而线性增加，而TDS的钳位电压在整个工作温度范围内保持稳定（图6），这个优异特性能保护USB-PD、传感器在恶劣环境中长时间工作。

图6 不同温度下TDS和TVS二极管的钳位电压

      以下为TDS的优点总结：

1. 全面的电压范围覆盖范围

TDS保护所有标准电压选项(5V、9V、15V、20V)这些选项在USB PD 2.0/3.0规范中定义，并扩展到USB PD 3.1规范中引入的三个更高电压选项(28V、36V、48V)。它适用于USB-PD中使用的各种电压，包括标准和扩展功率范围。

2. 增强的保护能力

TDS提供强大的ESD和浪涌保护，保护敏感电子元件免受损坏。TDS产品组合提供高达IEC 61000-4-5标准1级的浪涌抗扰度和IEC 61000-5 ESD标准4级以上的抗扰度。

3. 高耐用性

与传统保护器件不同，TDS表现出卓越的耐用性。它们在室温到高温下保持一致的性能，这是传统分立TVS二极管所无法比拟的。

4. 较低的钳位电压和较高的峰值脉冲电流

利用TDS进行串联和并联连接，可以在特定应用中实现工作电压、钳位电压和峰值脉冲电流处理能力之间的最佳平衡。两颗TDS串联连接可以实现更高的触发电压，以此防护更高电源电压系统。除此之外，两颗TDS反相串联连接可以实现受保护端口的正负浪涌脉冲防护。因此TDS具有极高的灵活性，以满足不同应用场景的需求。

• 用于定制钳位电压的串联连接：

图7 ESTVS3300DRVR和ESTVS2200DRVR串联

      虽然TDS提供的钳位电压低于传统的TVS二极管，但它提供了更大的灵活性。如果应用需要的特定钳位电压大于单个TDS提供的值，可以串联多个TDS。以48V VBUS应用为例，使用ESTVS2200DRVR和ESTVS3300DRVR串联的组合，您可以实现更低的钳位电压和相同级别的保护，如图8所示。

ESTVS2200DRVR的钳位电压为28V，最大l_PP为70A，而ESTVS3300DRVR的钳位电压为40V，最大I_PP为50A。通过将它们串联，组合的触发电压和钳位电压有效地增加，以满足应用领域的需求。在l_PP为35A时达到66V的钳位。该串联操作的波形如图9所示。

图8 串联连接的ESTVS3300DRVR和ESTVS2200DRVR的V_CL和l_PP波形

• 峰值脉冲电流的并联连接

图9 ESTVS2200ERVR并联

图10 10个ESTVS2200DRVR并联连接的V_CLAMP和l_PP波形

      如果任何USB-PD应用需要更高的浪涌保护，则可以通过并联实现更高的峰值电流。例如，并联连接ESTVS2200DRVR器件可将峰值电流处理能力提高到700A左右（单个器件70A额定值的10倍）。图10显示了这种情况在室温下的钳位电压和峰值脉冲电流波形。从波形中可以看出，钳位电压为27.6V，约等于单个ESTVS2200DRVR的钳位电压，而峰值脉冲电流约为700A。

结论

带有USB-PD的USB Type-C是一种功能强大的多功能接口，可提供高达100W的充电功率，在扩展功率范围内可以达到240W。不断增加的功率使得USB Type-C端口更容易受到ESD事件和浪涌冲击，可能会损坏USB收发器的精密内部组件。为了保证USB-PD的使用寿命和运行稳定，高效的ESD保护和浪涌保护至关重要。湖南静芯半导体的TDS产品可有效应对这些威胁，其紧凑的尺寸和多功能性使其成为保护USB-PD应用中的USB Type-C接口的理想选择，制造商可以在使用其高性能电子产品时为消费者提供持续可靠的体验。

静芯公司推出的系列TDS芯片具有接近理想状况的ESD和EOS保护特性，可以广泛应用于USB/雷电接口、工业机器人、IO-Link接口、工业传感器、IIoT设备、可编程逻辑控制器(PLC)和以太网供电(PoE)等领域，可为系统提供更全面以及更可靠的保护。目前公司推出来ESTVS2200DRVR、ESTDS2211P、ESTVS3300DRVR、ESTDS3311P等型号，欢迎客户前来咨询选购。