今天的消費者已經很快地對采用USB-C或USB-TypeC通信接口標準的移動設備變得依賴——從智能手機和平板電腦到可穿戴設備和筆記本電腦。USB端口還兼作大多數此類設備的快速充電端口。因此，設計針對靜電放電(ESD)和過熱條件的強大保護從未像現在這樣重要。
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USB-ImplementersForum(USB-IF)對該標準進行了四次重大修訂1。它于1996年首次進行標準化，并一直在以更高的速度發展并允許更大的功率承載能力。USB標準從1.0版開始，一直發展到2.0版、3.x版，目前更新至第4版、USB4。表1列出了從2.0到USB4的版本，并顯示了每個版本的能力是如何大幅增加的。
為了處理更高的數據傳輸速率和更高的功率傳輸，USBType-C電纜和連接器標準已更新至2.12版本，USB-PD（功率傳輸）標準已更新至3.1版本。圖1顯示了可以實現增強型USB功能集的Type-C連接器。PD版本允許通過USB接口對設備進行充電和供電。最大功率容量從2.5W(5V@0.5A)增加至100W(20V@5A)，目前已到240W(48V@5A)的功率范圍。更高的功率容量將為USB-C開啟新的供電和充電應用，例如游戲筆記本電腦、擴展底座、4K顯示器和電腦一體機。
圖2：IEC61000-4-2中規定的ESD測試波形。（來源：Littelfuse公司）
有多種產品可用于保護通信端口免受ESD損壞。圖3顯示了推薦的保護元件可以用于具有高達100W的供電能力和高達240W的擴展供電范圍的USB接口線路。推薦的元件是瞬態電壓抑制器(TVS)二極管。表2描述了元件技術及其各自的特性和優勢。
表2：推薦的USB保護技術（來源：Littelfuse公司）
對于USB2.0線路，請考慮使用SP3530單向TVS二極管或同等產品。這種TVS二極管可以安全地吸收22kVESD沖擊，幾乎是IEC61000-4-2要求的8kV水平的3倍，而且不會衰減。通常，0.3pF的低電容可以最大限度地減少對信號轉換的干擾。該元件采用0201表面貼裝封裝，旨在節省PC板空間。
SuperSpeed線路需要一個具有盡可能低電容的元件，以免降低高速數據傳輸的性能。例如，SP3213雙向TVS二極管，兩個陽極到陽極連接的二極管為高達12kV的ESD沖擊提供保護。這些二極管通常只有20nA的漏電流，以最大限度地降低電路功耗，并采用緊湊的μDFN-2表面貼裝封裝。
對于邊帶使用(SBU)和配置通道(CC)線路，請考慮SP1006單向TVS二極管。該元件可以在μDFN-2封裝中安全地吸收30kVESD沖擊。SP1006是一款非常可靠的TVS二極管，符合AEC-Q101標準，適用于USB通信的汽車應用。4
Vbus線路要求TVS二極管能夠承受比信號線保護器件更高的功率水平。SPHV系列200WTVS二極管可保護容量為100W的Vbus線路。SPHV二極管可承受30kV的ESD沖擊，并通過AEC-Q101認證，采用表面貼裝封裝。對于擴展功率范圍接口，一個示例解決方案是SMBJ二極管。它具有比SPHV二極管更高的600W峰值額定功率，并且可以吸收高達30kV的ESD沖擊。與其它推薦用于USB端口的TVS二極管一樣，SMBJ二極管是表面貼裝元件。
每個不同的TVS二極管都具有保護一組特定線路免受ESD影響所必需的功能，并且不會干擾線路的功能。將這些二極管結合到電路中可以防止即時故障、軟故障和潛在的過早失效。
防止USBType-C插頭和插座過熱USBType-C連接器密度高，更容易受到污垢和灰塵的污染，從而導致電源與接地之間的電阻性故障。再加上Vbus線路上的較高功率，USB連接器存在更大的過熱風險，這可能會損壞連接器、電纜和連接的端口電子設備。溫度升高可能會熔化連接器，或者在最糟糕的情況下引發火災。
防止過熱的解決方案是數字溫度指示器，其設計符合USBType-C電纜和連接器規范。當溫度指示器檢測到100°C或更高的溫度時，其電阻會增加至少五(5)個十倍數。本文中引用的示例元件技術是Littelfuse獨特的setP數字溫度指示器。其特性曲線。
當溫度指示器（ALittelfusesetP）用于過熱保護時，連接器表面溫度的較低上升比較。（來源：Littelfuse公司）
總結如果沒有適當的保護，USBType-C連接器中的ESD或碎屑可能會導致用戶日常依賴的貴重消費電子產品出現現場故障。電子工程師可以通過使用TVS二極管保護USB線路免受ESD干擾，使用數字溫度指示器以防止連接器過熱，從而保護他們的最新設計。隨著移動設備變得更小、更復雜以及對更快充電的需求不斷增加，設計人員面臨著額外的挑戰，即尋找更小的表面貼裝保護元件以適應有限的空間并最大限度地減少PCB空間以實施必要的保護。
預先考慮這些重要的設計注意事項有助于防止最終用戶出現問題。它還有助于提高產品性能、延長產品壽命和提高消費者滿意度。
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