防止VBUS误触至CC and SBU造成端口失效的TVS防护方案

2013年，USB-IF协会发布了Type-C端口，此接口一经推出，就受到广大消费者以及业界的欢迎。Type-C端口小巧，支持正反插，不仅是信号传输的端口，同时也是供电端口。目前主流设备支持的PD 3.0协议最高可以达到20V，5A的规格。对于信号传输，Type-C端口更是最高可以支持到USB4 40Gbps的超高规格，并且还可以兼容DP等视频协议。 Type-C具有很多的优点，端口尺寸仅有8.6mm*2.6mm，支持正反插并且功能丰富。但是事物都具有两面性，在如此紧凑的空间内，连接器的PIN脚数量达到了24pin，引脚之间的间距非常小。在复杂的实际应用场景中，容易造成pin脚之间搭接、错位。其中最危险的情况就是VBUS在正常提供20V的DC Power时，短接到CC或者SBU pin(如图1所示)。由于CC和SBU pin正常的工作电压是5V左右，当有20V的DC Power短接时，可能会造成后端IC烧毁和端口的TVS损坏。所以在端口防护设计时候，除了要满足ESD和EOS的防护要求外，还要考虑到如果VBUS短接到CC和SBU时，不能出现硬件损坏。

图1. Type-C接口的引脚分布

正是考虑到终端客户的这种失效模式，许多消费类产品的头部厂商已经提出在CC和SBU端口上，除了已有的ESD测试之外，还要加入DC直流耐压测试，也就是进行20V DC Power持续1分钟~3分钟不等的直流耐压测试。目前主流的设计架构是靠近Type-C端口放置TVS，后端选择带OVP（Over voltage protection）的USB控制芯片，这样的设计架构才能够保证端口有足够的防护能力。但是如果仍然使用传统的VRWM=5V的TVS，将会导致DC直流测试无法通过，所以必须要使用VRWM≥20V的TVS，这种使用方法又带来了一个问题，传统VRWM≥20V的TVS其钳位电压VCL（Clamping voltage）也会很高，导致其ESD/EOS保护效果较差，甚至会导致整机ESD Pin injection测试失败。所以需要一种能够既能满足直流耐压测试，又能够有良好保护效果的TVS，晶焱科技推出了专门针对这种应用场景的AZ5H25-01B。 AZ5H25-01B的特点在于与传统的5V TVS不同，其VBV(崩溃电压)不再是6V左右，而是确保在26.5V之前，TVS不会启动（如表1），这保证了20V直流测试时，AZ5H25-01B不会误启动，避免了TVS管被直流能量烧毁的风险。同时，AZ5H25-01B的ESD钳位电压在8kV时仅有10V，能够帮助整机轻松的通过ESD测试。并且其浪涌耐受度也可以达到6.5A(8/20μS，IEC61000-4-5)，有较好的EOS防护能力。

表1. AZ5H25-01B电气参数

AZ5H25-01B的ESD钳位电压非常优秀，有一个原因是TVS在启动之后，snap-back电压的最低点VHOLD可以做到约6V（如图2所示）。这样既可以达到降低钳位电压的目的，又可以保证不会影响到CC/SBU的信号，避免Latch-up。晶焱科技将AZ5H25-01B定义为VRWM=5V,这样可以完全避免工程师根据VRWM来选择TVS时可能面临的Latch-up风险。

图2. AZ5H25-01B TLP特性曲线

AZ5H25-01B的封装大小为0201，体积小，摆放灵活，能够满足日益增长的设备小型化需求，在USB 4的全功能接口上，晶焱科技能够提供包括超高速信号端口使用的超低电容TVS AZ5B9S-01F; CC/SBU满足直流耐压测试，静电钳位电压超低的AZ5H25-01B；满足VBUS高浪涌测试的AZ4520-01F/AZ4920-01F。示例LAYOUT如图3所示。

图3. AZ5H25-01B Type-C USB4端口Layout示例

随着时代的发展，Type-C端口的使用率越来越高，使用场景也越来越复杂，随之而来的是设备返修率升高。所以在系统设计的时候，不仅要考虑到ESD和EOS防护，还要考虑到直流耐压测试等特殊状况。晶焱科技可以提供数百种类的产品，协助客户提高产品的鲁棒性，降低返修率，使产品更加可靠。