USB Type-C 接口因其小型化，可正反插，支持高功率、高速數據傳輸等特點在消費類產品上得到越來越廣泛的應用。
Type-C 有著強大的兼容性，除了保留 D+/D- 引腳支持 USB 2.0 數據傳輸外，還在規范定義上兼容其他協議標準的信號傳輸，例如對 DP 信號傳輸的支持。因此成為能夠廣泛連接智能手機、 PC、游戲主機、存儲設備和擴展塢等絕大部分電子設備的標準化接口，實現數據傳輸和設備充電的統一。
現行主流 USB Power Delivery 3.0 高可支持 20V/5A 的電力輸出，即 100W 的充電功率（ 2021 年 5 月發布的 PD 3.1 進一步支持高達 48V/5A 的電力規格）。USB Type-C 接口除了可以進行基于 PD 規范的大功率充電外，還可以實現 DisplayPort 1.4 視頻傳輸、Thunderbolt 4 等功能。因此，具有全功能 Type-C 接口的設備可以實現通過單一接口進行雙向充電、視頻輸出等功能。
圖1 USB Type-C 接口引腳分布
USB Type-C 連接器外形小巧，在 8.3 x 2.5mm 的空間內實現了 24 個連接器引腳，具有很高的引腳密度，結構設計上還需要滿足上萬次的插拔應用。
相比早期版本的其他 USB 接口，Type-C 的 VBUS 引腳更容易由于異物或異常插拔與相鄰引腳發生短路。由于 VBUS 的電壓典型可能高達 20V ，與低壓引腳之間（如CC、SBU、Tx/Rx 等）發生短接會造成嚴重后果。其次，Type-C 應用的電源路徑需要具有大電流通流能力，對潛在的負載短路、過電流等危險做出有效防護。此外，作為電子設備的外接接口，ESD 和浪涌的侵害必須從系統層面加以重視，熱插拔等原因造成的過電壓也必須加以考慮。
總之，USB Type-C 功能強大，但在產品開發中，系統層面的魯棒性設計也面臨著諸多挑戰。
USB Type-C 接口全方位保護方案
豪威集團旗下韋爾半導體針對 USB Type-C 應用推出了全面的解決方案。在確保不犧牲高功率、高速數據傳輸性能的前提下，為接口提供安全、可靠的防護，幫助設備制造商有效降低產品返修率，提升產品品質。
圖2 筆記本電腦 USB Type-C 接口功能框圖
保護方案由三顆器件組成（對應 圖2 橙色部分），分別為 WS4684C-15/TR ，WS4683C-16/TR 和 WS3233Q-20/TR 。
01、WS4684C-USB 功率開關
為了抑制可能的高壓浪涌，為充電接口提供可靠的保護，高性能的 OVP Load Switch 必不可少。WS4684C-15/TR ，支持 USB PD 的 20V/5A 規格，可實現筆記本電腦的快速、高功率充電。其 VBUS 等引腳可以持續耐受 29V 的直流電壓。并且內部集成浪涌抑制電路，抑制能力高達 90V 。可對筆記本電腦等消費類電子產品的充電接口的功率通路起到高效防護，大大降低供電意外或消費者誤操作對電子產品帶來的損害。
主要應用：
• USB Type-C VBUS 充電保護
特點及優勢：
• 2.5~20V 輸入電壓范圍，大電流 5A ，滿足 USB PD 3.0 高功率要求
• 可編程過壓保護，快速響應的反向電流保護，過溫保護
• 小型化，1.65 x 2.67mm ， CSP-15L 封裝
圖3 WS4684C 典型應用
02、WS4683C-USB 限流負載開關
筆記本電腦的 Type-C 接口通常需工作在 DRP 模式。出于對系統充放電的安全考慮，基于 UL62368/CB62368 的安規要求，VBUS 通路需要具備輸出過流保護功能。
WS4683C-16/TR 輸出支持 5V （器件 VBUS 側管腳直流耐壓高達 30V），大 3.3A 的持續電流。在保證芯片可靠性的前提下，支持 USB PD 3.0 要求的 FRS 快開啟功能。內部還集成了靜電泄放通路（ IEC61000-4-2 Contact ±8KV ），減少了周邊額外的保護器件，為制造商節省成本及 PCB 面積。
圖4 電流保護快速響應
主要應用：
• USB Type-C VBUS 放電保護
特點及優勢：
• 400mA~3.3A 可編程過流保護
• 快速響應的反向電流保護
• 支持 USB PD 3.0 協議要求的 FRS 功能
• 小型化，2.05 x 2.05mm , CSP-16L 封裝
圖5 WS4683C 典型應用
03、WS3233Q-USB Type-C保護開關
如前所述，由于 USB Type-C 接口的功率和信號引腳小間距僅有 0.5mm ，用戶實際使用中因異物等原因，VBUS 會有和周邊引腳短接的風險，為低壓信號引腳及相關電路帶來隱患。
韋爾半導體推出的過壓保護開關，WS3233Q-20/TR 信號通路具備高達 800MHz 的 -3dB 帶寬，在不影響高速信號完整性的情況下，實現 24V 的過壓保護能力。在一顆芯片上，高壓和高速性能不再互相妥協。此外，WS3233Q 內部還集成了 D+D- 通道的 ESD 泄放通路，達到 IEC61000-4-2 Contact ±8KV 標準。單顆芯片在不影響高速數據傳輸的基礎上，提供過壓保護和靜電防護的集成解決方案。
應用：
• USB Type-C CC/SBU 保護
特點及優勢：
• OVP Short-to-VBUS：24V
• 帶寬 800MHz -3dB ，實現高耐壓的同時，具有高帶寬
• 低靜態電流，70uA
• QFN3*3-20L 通用封裝
WS4684C-15/TR、WS4683C-16/TR 和 WS3233Q-20/TR 的組合實現了對過壓、過流、過溫、浪涌、ESD 等各種常見干擾異常的保護和抑制，是業界完善的 USB Type-C 接口保護方案之一。
三片保護方案也同時帶來了系統設計的大靈活性，可以針對設備接口功能定義類型全部或部分使用，以節省成本。 |
