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不斷升級的USB-C接口

（2024年11月27日更新）

檢查我們周圍電子設備外殼上的各種接口，你可能會發現它們的類型和數量正在減少。但與此同時，有越來越多的機會上鏡，這個接口就是USB Type-C（以下簡稱USB-C）。

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根據HIS2021年全球市場研究數據配備USB-C在智能手機、平板電腦、筆記本電腦等數億消費電子產品及其相關配套組件中，接口設備出貨量接近50億部，USB-C已成為標配。

2015年進入商業化，USB-C以如此快的速度占領市場，統一江湖，并非偶然。USB-C好在哪里？隨便找一個非專業的普通消費者，也可以擺出幾個:外形小，支持正反插，可以雙向供電，數據視頻傳輸肩并肩……當然，特別重要的一定是以下兩點：數據傳輸速度更快，電力傳輸效率更高。

新標準帶來的新挑戰

在標準定義之初，USB-IF以具有技術前瞻性的物理界面的定位創建USB-C是的。事實也表明，這些年來USB在提高數據傳輸和電力傳輸標準的背后，USB-C提供強有力的支是必不可少的。

具體來說，經過多年的迭代，USB從USB 1.0的1.5Mbps、USB 2.0的480Mbps，提升到了USB 4.0的40Gbps。能有這樣的信心和迭代速度USB-C雙通道（x2)架構無關緊要。

圖1：USB升級數據傳輸標準的道路

（圖源：Littelfuse）

在電力傳輸方面，USB-C在應用程序開始時，它支持高達1000W（20V @ 5A）的USB PD協議是關鍵賣點。通過這個功能，可以使這個功能可以通過USB-C接口供電的設備范圍大大擴大，也使其成為智能手機提高充電功率的堅實支點，受到能源焦慮的困擾。去年5月，USB-IF發布了新的USB PD 3.1標準，更是將USB-C支持的上限輸出功率來自以前USB PD 3.0規定的100W，提升到了240W（48V @ 5A）！如果是2010年推出的7.5W的USB BC1.比較，十年USB電力傳輸能力增加了32倍！

而且USB-C中專專門定義了用途PD協議傳輸的CC線路負責協商供電和受電設備之間的電力協議，使可編程電源PPS（Programmable Power Supply）基于實現的可能性也得到了保證USB-C快速充電可以達到更高的能效。

可以說，與其它接口相比，USB-C物理接口標準和數據傳輸標準USB PC功率傳輸標準相互支持，共同推進，實現了今天穩定的江湖地位。

但所謂能力越大，責任越大，USB-C特別是在可靠性和穩定性方面，數據和電力傳輸能力的提高也帶來了新的挑戰。這是因為這些標準在制定時沒有直接規定保護USB在實際應用中，由于接口免受外部傷害的具體方法USB-C形狀小，連接密度大，接口電路保護壓力大，特別是靜電保護（ESD）在過熱保護和過熱保護方面，必須有針對性的方案來確保USB-C接口的可靠性。

圖2：與傳統的4針腳相比USB-A與連接器相比，USB-C連接器有24針，信號接觸間距僅為0.5mm

（圖源：Littelfuse）

構筑全方位ESD防護

讓我們先ESD防護。USB-C連接器和電纜暴露在外部環境的電子電路中，不可避免地會受到直接接觸或電弧的影響ESD沖擊電壓可達30kV或更高，瞬時電流高達30A，這種高能量會熔化硅和導線，導致元件完全失效。即使沒有造成這種硬傷害，ESD電流也可能導致軟故障，包括邏輯器件的狀態變化、鎖定或不可預測的行為，影響數據傳輸速度、系統啟動錯誤或一些潛在缺陷，影響組件的可靠性或降低其使用壽命。因此，對于USB-CMurata代理這種的存在ESD必須嚴格設防高風險界面。

不過，對于USB-C對于接口，我們想要全面的設防ESD它面臨著一些前所未有的挑戰：

只有4引腳USB-A與連接器相比，USB-C接口的引腳數量達到24個，尺寸大大壓縮，因此保護元件必須有更緊湊的形狀。在這種情況下，大面積分立保護元件的應用將受到限制，包裝密度更高（如TVS二極管陣列)成為更理想的選擇。

同時，這24個引腳(線路)的角色也不一樣，對于ESD沖擊保護要求也有很大差異。例如，對于電源傳輸線ESD額定電壓是保護元件的重要指標；對于數據線，為了支持高速數據傳輸，對于ESD保護元件的低電容值會更敏感，因為電容會削弱傳輸信號，電容值越高，信號的衰減效果越明顯。因此，傳輸速率越高的數據接口需要較低的電容值ESD抑制元件。

圖3：USB-C接口ESD防護解決方案

（圖源：Littelfuse）

圖3顯示了一個典型的例子USB-C接口的ESD需要保護的線路包括防護解決方案USB 2.0、SuperSpeed、SBU、CC、Vbus對應圖中的五種，分別對應圖中的五種II、III、IV、V四種情況。每條線路。ESD保護要求不同，但我們的解決方案應該盡可能全面。

如果我們分別針對每條線ESD保護規格，選擇保護元件，無疑是一個費時費力的過程。為了解決工程師的問題，Littelfuse為每條線路提供完整的解決方案ESD匹配合適的保護元件。讓我們仔細觀察這個方案。

USB 2.0線路

先來看對于USB 2.0線路保護，這個引腳是USB-C在兼容之前USB 2.支持480Mbps其傳輸速度ESD需要滿足保護IEC 61000-4-2標準要求的8kV為了滿足高速數據傳輸的要求，需要低電容。Littelfuse在方案中，匹配的保護裝置是SP3530單向TVS二極管可安全吸收22kV的ESD能量沖擊，接近IEC 61000-4-2要求3倍，不會衰減；同時，0.3pF對信號轉換的干擾也可以盡可能減少。0201的SMD包裝外觀也足夠小，不會占用太多PCB面積。