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USB Type-C线缆热保护的五大设计要项
 

【作者: Todd Phillips】2020年12月04日 星期五

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如今的USB Type-C线缆允许消费者在功率高达100W的情况下为电池供电的可?式产品充电。这种高功率、快速充电的能力减少了可?式产品必须连接到电源线的时间。


100W容量对於USB线缆来说是相当大的功率。因此,线缆可能会因线缆故障而产生高热积聚。连接器采用封闭式结构,针对针之间的间距较窄,这些针脚的间距为0.5毫米,比USB Type-A连接器小五倍。


灰尘和其他污染物会导致电源和接地针脚之间出现阻性故障。以机械故障而言,如针脚弯曲或绝缘层磨损,也可能导致阻性故障和过电流情况,这些故障可能导致过热,导致线缆故障,并可能损坏正在充电的产品。


设计人员面临的挑战是如何在USB Type-C连接器的有限空间内实现热保护。设计人员需要确保线缆的所有元件都能承受100W的充电功率,并且增加的热保护不会将可用的充电功率降低到100W以下。


针对这些挑战的解决方案是设计用於USB Type-C线缆连接器的数位温度指示器(DTI)元件。使用此元件可以避免线缆中的功率损耗,因为它位於线缆的配置通道(CC)中,而不是位於电源线(也称为VBUS线)中。


此DTI元件是Littelfuse制造的PolySwitch setP数位温度指示器,其较小的表面安装尺寸为2 mm x 1.2mm,比其他的温度感应器件小30%,并且可以轻松装入USB??头。当周围温度达到一个特定值时,该器件会通过大幅增加其电阻来工作,并且使用该器件的电路关闭电源传输。


图一显示了两个setP温度指示器模型的电阻与温度曲线。在室温下,器件电阻小於10微欧姆。在摄氏正100度左右时,电阻至少会上升30倍。



图一 : 两个setP数位温度指示器的电阻与温度的特性曲线,显示温度达到其??值或指示温度约为100。C时电阻的较大变化。
图一 : 两个setP数位温度指示器的电阻与温度的特性曲线,显示温度达到其??值或指示温度约为100。C时电阻的较大变化。

电路设计注意事项

在USB Type-C线缆的每个??头上放置一个setP数位温度指示器,以检测其中一个或两个连接器上的潜在故障。连接配置通道(CC)中的每个DTI。DTI利用USB-IF标准1定义的系统叁数在达到DTI的跳闸温度时导致电源关闭。


setP DTI是独特的应用,因为它被放置在CC线路中,而不是在充电电源的路径中。因此,setP DTI使充电电路独立於电源;无论电源、充电器和接收器(正在充电的产品)之间达成的功率水准如何,DTI都能提供可靠的保护。


USB-IF标准定义了一个监控电路,如图二所示。根据在CC线路上测得的电压水准,监控源将知道何时连接或断开接收器。



图二 : USB-IF标准中定义的电路,用於监控CC线路上的电压。
图二 : USB-IF标准中定义的电路,用於监控CC线路上的电压。

由於针脚连接开路或CC线路中温度指示器的电阻增大,引起监控源输出端(Rp连接到线缆的CC线路)的电压升高,从而导致VBUS电压从四个连接器针脚A9、A4、B4和B9上消失。Rd处的电压表徵了监控源和负载之间通信的充电器功率水准。(source:通用序列汇流排C型线缆和连接器规范2.0版;2019年8月 [1])


如果控制源端的CC电压达到标准中定义的水准,则VBUS针脚上的电源将被切断。setP DTI电阻的增加将导致电压升高。图三显示了USB Type-C??头的针脚布局。针脚A5是CC线,而VBUS在四个针脚上:即A9,A4,B4和B9。 图四显示了DTI,一个连接器一个DTI,安装在CC线中。



图三 : USB Type-C??头针脚布局,CC针脚A5高亮显示。(source:通用序列汇流排Type-C线缆和连接器规格2.0版;2019年8月)
图三 : USB Type-C??头针脚布局,CC针脚A5高亮显示。(source:通用序列汇流排Type-C线缆和连接器规格2.0版;2019年8月)

图四 : 线上缆配置通道(CC)中安装数位温度指示器。
图四 : 线上缆配置通道(CC)中安装数位温度指示器。

温度指示器的推荐位置

温度指示器在连接器中的位置将决定感测器检测到的连接器针脚,在故障情况下的温度升高了多少。建议温度指示器的位置距离连接器针脚不超过3 mm。


测试结果显示,将温度指示器放置在距连接器针脚的位置,每远离1mm,连接器中的温度将会降低摄氏5度。例如,如果离针脚3 mm处的检测器温度升高到摄氏100度,则距连接器3mm远的温度将降低摄氏15度或至85度。


因此,将温度指示器放置在尽可能靠近连接器安装针脚的位置,可提供最隹的保护,防止因故障而导致的高温上升。温度指示器位置的建议布局,如图五所示。



图五 : USB-Type C连接器中温度指示器的建议位置,温度指示器应放置在距离连接器针脚3 mm的范围内。
图五 : USB-Type C连接器中温度指示器的建议位置,温度指示器应放置在距离连接器针脚3 mm的范围内。

印刷电路板(PCB)布局和焊接建议

图六显示了温度指示器的推荐焊料布局焊盘,焊膏的最大厚度为0.25 mm。 为避免损坏器件,请在焊接过程中确保最高温度不超过摄氏260度,还应使温度上升和下降速度分别不超过(摄氏3度/秒)和(摄氏2度/秒)。保持温度高於摄氏217度但不超过150秒。



图六 : 温度指示器的推荐PCB布局焊盘。
图六 : 温度指示器的推荐PCB布局焊盘。

PCB成型注意事项

容纳PCB的连接器通常使用内部模具来保护PCB。聚丙烯材料是一种常见的模塑材料,使用聚丙烯时的模具注射压力可达到400 psi。数位温度指示器可承受普通的模具注射压力,如果计画使用其它成型材料,请仔细考虑成型压力,以免对setP DTI施加物理约束。


设计验证测试建议

设计者需要验证保护电路线上缆,当其达到特定温度水准时是否能够保护线缆。图七显示了一种测试配置。



图七 : 测试设置,以验证当连接器温度达到设计极限时,CC通道中的温度指示器会关闭VBUS。
图七 : 测试设置,以验证当连接器温度达到设计极限时,CC通道中的温度指示器会关闭VBUS。

热室将提供不同的温度。在室中用一个示波器和一个热电偶来监测温度,验证当达到温度指示器的转变温度时,VBUS电压是否降至低值。


冷却热室,当温度降至温度指示器的转折温度以下时,验证VBUS电压是否恢复到其工作水准。通过该测试和类似的设计验证测试,设计团队将能够自信地将线缆过渡到制造阶段。


通过USB Type-C线缆的电流高达100W,热保护对於确保线缆坚固和安全至关重要。setP数位温度指示器提供必要的温度保护,同时不限制线缆充电功率或干扰USB通信协议。


(本文作者Todd Phillips为Littelfuse公司电子业务部门全球市场经理)


叁考文献


[1]Universal Serial Bus Type-C Cable and Connector Specification. Revision 2.0. August 2019. USB Implementers Forum (USB-IF), Inc.


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