USB Type-C線纜熱保護(hù)的五個(gè)設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

如今的USB Type-C線纜允許消費(fèi)者在功率高達(dá)100W的情況下為電池供電的便攜式產(chǎn)品充電。這種高功率、快速充電的能力減少了便攜式產(chǎn)品必須連接到電源線的時(shí)間。

100W容量對于USB線纜來說是相當(dāng)大的功率。因此，線纜可能會(huì)因線纜故障而產(chǎn)生高熱積聚。連接器采用封閉式結(jié)構(gòu)，針對針之間的間距較窄。 這些針腳的間距為0.5毫米，比USB Type-A連接器小五倍。

灰塵和其它污染物會(huì)導(dǎo)致電源和接地針腳之間出現(xiàn)阻性故障。機(jī)械故障，如引腳彎曲或絕緣層磨損，也可能導(dǎo)致阻性故障和過電流情況。這些故障可能導(dǎo)致過熱，導(dǎo)致線纜故障，并可能損壞正在充電的產(chǎn)品。

設(shè)計(jì)人員面臨的挑戰(zhàn)是如何在USB Type-C連接器的有限空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)熱保護(hù)。設(shè)計(jì)人員需要確保線纜的所有元件都能承受100W的充電功率，并且增加的熱保護(hù)不會(huì)將可用的充電功率降低到100W以下。

針對這些挑戰(zhàn)的解決方案是設(shè)計(jì)用于USB Type-C線纜連接器的數(shù)字溫度指示器(DTI)元件。 使用此元件可以避免線纜中的功率損耗，因?yàn)樗挥诰€纜的配置通道(CC)中，而不是位于電源線(也稱為VBUS線)中。

此DTI元件是Littelfuse制造的PolySwitch setP數(shù)字溫度指示器。 其較小的表面安裝尺寸為2 mm x 1.2mm，比其它溫度感應(yīng)器件小30%，并且可以輕松裝入U(xiǎn)SB插頭。 當(dāng)周圍溫度達(dá)到一個(gè)特定值時(shí)，該器件會(huì)通過大幅增加其電阻來工作，并且使用該器件的電路關(guān)閉電源傳輸。

圖1顯示了兩個(gè)setP溫度指示器模型的電阻與溫度曲線。在室溫下，器件電阻小于10Ω。在+100°C左右時(shí)，電阻至少會(huì)上升30倍。

圖1：兩個(gè)setP數(shù)字溫度指示器的電阻與溫度的特性曲線，顯示溫度達(dá)到其閾值或指示溫度約為100°C時(shí)電阻的較大變化。

電路設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

在USB Type-C線纜的每個(gè)插頭上放置一個(gè)setP數(shù)字溫度指示器，以檢測其中一個(gè)或兩個(gè)連接器上的潛在故障。連接配置通道(CC)中的每個(gè)DTI。DTI利用USB-IF標(biāo)準(zhǔn)1定義的系統(tǒng)參數(shù)在達(dá)到DTI的跳閘溫度時(shí)導(dǎo)致電源關(guān)閉。

setP DTI是獨(dú)特的應(yīng)用，因?yàn)樗环胖迷贑C線路中，而不是在充電電源的路徑中。因此，setP DTI使充電電路獨(dú)立于電源;無論電源、充電器和接收器(正在充電的產(chǎn)品)之間達(dá)成的功率水平如何，DTI都能提供可靠的保護(hù)。

USB-IF標(biāo)準(zhǔn)定義了一個(gè)監(jiān)控電路，如圖2所示。根據(jù)在CC線路上測得的電壓水平，監(jiān)控源將知道何時(shí)連接或斷開接收器。

圖2：USB-IF標(biāo)準(zhǔn)中定義的電路，用于監(jiān)控CC線路上的電壓。由于針腳連接開路或CC線路中溫度指示器的電阻增大，引起監(jiān)控源輸出端(Rp連接到線纜的CC線路)的電壓升高，從而導(dǎo)致VBUS電壓從四個(gè)連接器引腳A9、A4、B4和B9上消失。Rd處的電壓表征了監(jiān)控源和負(fù)載之間通信的充電器功率水平。(來源：通用串行總線C型線纜和連接器規(guī)范。2.0版，2019年8月。圖4-5，第151頁)

如果控制源端的CC電壓達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)中定義的水平，則VBUS針腳上的電源將被切斷。setP DTI電阻的增加將導(dǎo)致電壓升高。圖3顯示了USB Type-C插頭的針腳布局。針腳A5是CC線，而VBUS在四個(gè)針腳上：即A9，A4，B4和B9。 圖4顯示了DTI，一個(gè)連接器一個(gè)DTI，安裝在CC線中。

圖3: USB Type-C插頭針腳布局。CC針腳A5高亮顯示。來源：通用串行總線Type-C線纜和連接器規(guī)格。2.0版，2019年8月。圖2-2，第31頁。

圖4：在線纜配置通道(CC)中安裝數(shù)字溫度指示器。

溫度指示器的推薦位置

溫度指示器在連接器中的位置將決定傳感器檢測到的連接器針腳在故障情況下的溫度升高了多少。建議溫度指示器的位置距離連接器針腳不超過3 mm。

測試結(jié)果表明，將溫度指示器放置在距連接器針腳的位置，每遠(yuǎn)離一毫米，連接器中的溫度將會(huì)降低5°C。例如，如果離針腳3 mm處的檢測器溫度升高到100°C，則距連接器3mm遠(yuǎn)的溫度將降低15°C或至85°C。

因此，將溫度指示器放置在盡可能靠近連接器安裝針腳的位置，可提供最佳保護(hù)，防止因故障而導(dǎo)致的高溫上升。溫度指示器位置的建議布局如圖5所示。

圖5: USB-Type C連接器中溫度指示器的建議位置。溫度指示器應(yīng)放置在距離連接器針腳3 mm的范圍內(nèi)。

印刷電路板(PCB)布局和焊接建議

圖6顯示了溫度指示器的推薦焊料布局焊盤。 焊膏的最大厚度為0.25 mm。 為避免損壞器件，請?jiān)诤附舆^程中確保最高溫度不超過260°C。 還應(yīng)使溫度上升和下降速度分別不超過3°C/秒和2°C/秒。 保持溫度高于217°C不超過150秒。

圖6：溫度指示器的推薦PCB布局焊盤。

PCB成型注意事項(xiàng)

容納PCB的連接器通常使用內(nèi)部模具來保護(hù)PCB。聚丙烯材料是一種常見的模塑材料。使用聚丙烯時(shí)的模具注射壓力可達(dá)到400 psi。數(shù)字溫度指示器可承受普通的模具注射壓力。如果計(jì)劃使用其它成型材料，請仔細(xì)考慮成型壓力，以免對setP DTI施加物理約束。

設(shè)計(jì)驗(yàn)證測試建議

設(shè)計(jì)者需要驗(yàn)證保護(hù)電路在線纜達(dá)到特定溫度水平時(shí)是否能夠保護(hù)線纜。圖7顯示了一種測試配置。

圖7：測試設(shè)置，以驗(yàn)證當(dāng)連接器溫度達(dá)到設(shè)計(jì)極限時(shí)，CC通道中的溫度指示器會(huì)關(guān)閉VBUS。

熱室將提供不同的溫度。在室中用一個(gè)示波器和一個(gè)熱電偶來監(jiān)測溫度。驗(yàn)證當(dāng)達(dá)到溫度指示器的轉(zhuǎn)變溫度時(shí)，VBUS電壓是否降至低值。

冷卻熱室，當(dāng)溫度降至溫度指示器的轉(zhuǎn)折溫度以下時(shí)，驗(yàn)證VBUS電壓是否恢復(fù)到其工作水平。通過該測試和類似的設(shè)計(jì)驗(yàn)證測試，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)將能夠自信地將線纜過渡到制造階段。

通過USB Type-C線纜的電流高達(dá)100W，熱保護(hù)對于確保線纜堅(jiān)固和安全至關(guān)重要。setP數(shù)字溫度指示器提供必要的溫度保護(hù)，同時(shí)不限制線纜充電功率或干擾USB通信協(xié)議。