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USB Type-C線纜熱保護的五大設計要項
 

【作者: Todd Phillips】   2020年12月04日 星期五

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如今的USB Type-C線纜允許消費者在功率高達100W的情況下為電池供電的可?式產品充電。這種高功率、快速充電的能力減少了可?式產品必須連接到電源線的時間。


100W容量對於USB線纜來說是相當大的功率。因此,線纜可能會因線纜故障而產生高熱積聚。連接器採用封閉式結構,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。


灰塵和其他污染物會導致電源和接地針腳之間出現阻性故障。以機械故障而言,如針腳彎曲或絕緣層磨損,也可能導致阻性故障和過電流情況,這些故障可能導致過熱,導致線纜故障,並可能損壞正在充電的產品。


設計人員面臨的挑戰是如何在USB Type-C連接器的有限空間內實現熱保護。設計人員需要確保線纜的所有元件都能承受100W的充電功率,並且增加的熱保護不會將可用的充電功率降低到100W以下。


針對這些挑戰的解決方案是設計用於USB Type-C線纜連接器的數位溫度指示器(DTI)元件。使用此元件可以避免線纜中的功率損耗,因為它位於線纜的配置通道(CC)中,而不是位於電源線(也稱為VBUS線)中。


此DTI元件是Littelfuse製造的PolySwitch setP數位溫度指示器,其較小的表面安裝尺寸為2 mm x 1.2mm,比其他的溫度感應器件小30%,並且可以輕鬆裝入USB插頭。當周圍溫度達到一個特定值時,該器件會通過大幅增加其電阻來工作,並且使用該器件的電路關閉電源傳輸。


圖一顯示了兩個setP溫度指示器模型的電阻與溫度曲線。在室溫下,器件電阻小於10微歐姆。在攝氏正100度左右時,電阻至少會上升30倍。



圖一 : 兩個setP數位溫度指示器的電阻與溫度的特性曲線,顯示溫度達到其閾值或指示溫度約為100°C時電阻的較大變化。
圖一 : 兩個setP數位溫度指示器的電阻與溫度的特性曲線,顯示溫度達到其閾值或指示溫度約為100°C時電阻的較大變化。

電路設計注意事項

在USB Type-C線纜的每個插頭上放置一個setP數位溫度指示器,以檢測其中一個或兩個連接器上的潛在故障。連接配置通道(CC)中的每個DTI。DTI利用USB-IF標準1定義的系統參數在達到DTI的跳閘溫度時導致電源關閉。


setP DTI是獨特的應用,因為它被放置在CC線路中,而不是在充電電源的路徑中。因此,setP DTI使充電電路獨立於電源;無論電源、充電器和接收器(正在充電的產品)之間達成的功率水準如何,DTI都能提供可靠的保護。


USB-IF標準定義了一個監控電路,如圖二所示。根據在CC線路上測得的電壓水準,監控源將知道何時連接或斷開接收器。



圖二 : USB-IF標準中定義的電路,用於監控CC線路上的電壓。由於針腳連接開路或CC線路中溫度指示器的電阻增大,引起監控源輸出端(Rp連接到線纜的CC線路)的電壓升高,從而導致VBUS電壓從四個連接器針腳A9、A4、B4和B9上消失。Rd處的電壓表徵了監控源和負載之間通信的充電器功率水準。(source:通用序列匯流排C型線纜和連接器規範2.0版;2019年8月 [1])
圖二 : USB-IF標準中定義的電路,用於監控CC線路上的電壓。由於針腳連接開路或CC線路中溫度指示器的電阻增大,引起監控源輸出端(Rp連接到線纜的CC線路)的電壓升高,從而導致VBUS電壓從四個連接器針腳A9、A4、B4和B9上消失。Rd處的電壓表徵了監控源和負載之間通信的充電器功率水準。(source:通用序列匯流排C型線纜和連接器規範2.0版;2019年8月 [1])

如果控制源端的CC電壓達到標準中定義的水準,則VBUS針腳上的電源將被切斷。setP DTI電阻的增加將導致電壓升高。圖三顯示了USB Type-C插頭的針腳佈局。針腳A5是CC線,而VBUS在四個針腳上:即A9,A4,B4和B9。 圖四顯示了DTI,一個連接器一個DTI,安裝在CC線中。



圖三 : USB Type-C插頭針腳佈局,CC針腳A5高亮顯示。(source:通用序列匯流排Type-C線纜和連接器規格2.0版;2019年8月)
圖三 : USB Type-C插頭針腳佈局,CC針腳A5高亮顯示。(source:通用序列匯流排Type-C線纜和連接器規格2.0版;2019年8月)

圖四 : 線上纜配置通道(CC)中安裝數位溫度指示器。
圖四 : 線上纜配置通道(CC)中安裝數位溫度指示器。

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感測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。


測試結果顯示,將溫度指示器放置在距連接器針腳的位置,每遠離1mm,連接器中的溫度將會降低攝氏5度。例如,如果離針腳3 mm處的檢測器溫度升高到攝氏100度,則距連接器3mm遠的溫度將降低攝氏15度或至85度。


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,可提供最佳的保護,防止因故障而導致的高溫上升。溫度指示器位置的建議佈局,如圖五所示。



圖五 : USB-Type C連接器中溫度指示器的建議位置,溫度指示器應放置在距離連接器針腳3 mm的範圍內。
圖五 : USB-Type C連接器中溫度指示器的建議位置,溫度指示器應放置在距離連接器針腳3 mm的範圍內。

印刷電路板(PCB)佈局和焊接建議

圖六顯示了溫度指示器的推薦焊料佈局焊盤,焊膏的最大厚度為0.25 mm。 為避免損壞器件,請在焊接過程中確保最高溫度不超過攝氏260度,還應使溫度上升和下降速度分別不超過(攝氏3度/秒)和(攝氏2度/秒)。保持溫度高於攝氏217度但不超過150秒。



圖六 : 溫度指示器的推薦PCB佈局焊盤。
圖六 : 溫度指示器的推薦PCB佈局焊盤。

PCB成型注意事項

容納PCB的連接器通常使用內部模具來保護PCB。聚丙烯材料是一種常見的模塑材料,使用聚丙烯時的模具注射壓力可達到400 psi。數位溫度指示器可承受普通的模具注射壓力,如果計畫使用其它成型材料,請仔細考慮成型壓力,以免對setP DTI施加物理約束。


設計驗證測試建議

設計者需要驗證保護電路線上纜,當其達到特定溫度水準時是否能夠保護線纜。圖七顯示了一種測試配置。



圖七 : 測試設置,以驗證當連接器溫度達到設計極限時,CC通道中的溫度指示器會關閉VBUS。
圖七 : 測試設置,以驗證當連接器溫度達到設計極限時,CC通道中的溫度指示器會關閉VBUS。

熱室將提供不同的溫度。在室中用一個示波器和一個熱電偶來監測溫度,驗證當達到溫度指示器的轉變溫度時,VBUS電壓是否降至低值。


冷卻熱室,當溫度降至溫度指示器的轉折溫度以下時,驗證VBUS電壓是否恢復到其工作水準。通過該測試和類似的設計驗證測試,設計團隊將能夠自信地將線纜過渡到製造階段。


通過USB Type-C線纜的電流高達100W,熱保護對於確保線纜堅固和安全至關重要。setP數位溫度指示器提供必要的溫度保護,同時不限制線纜充電功率或干擾USB通信協議。


(本文作者Todd Phillips為Littelfuse公司電子業務部門全球市場經理)


參考文獻


[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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