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USB Type-C线缆热保护的五个设计注意事项


如今的USB Type-C线缆允许消费者在功率高达100W的情况下为电池供电的便携式产品充电 。这种高功率、快速充电的能力减少了便携式产品必须连接到电源线的时间 。
100W容量对于USB线缆来说是相当大的功率 。因此，线缆可能会因线缆故障而产生高热积聚 。连接器采用封闭式结构，针对针之间的间距较窄 。这些针脚的间距为0.5毫米，比USB Type-A连接器小五倍 。
灰尘和其它污染物会导致电源和接地针脚之间出现阻性故障 。机械故障，如引脚弯曲或绝缘层磨损，也可能导致阻性故障和过电流情况 。这些故障可能导致过热，导致线缆故障，并可能损坏正在充电的产品 。
设计人员面临的挑战是如何在USB Type-C连接器的有限空间内实现热保护 。设计人员需要确保线缆的所有元件都能承受100W的充电功率，并且增加的热保护不会将可用的充电功率降低到100W以下 。
针对这些挑战的解决方案是设计用于USB Type-C线缆连接器的数字温度指示器(DTI)元件 。使用此元件可以避免线缆中的功率损耗，因为它位于线缆的配置通道(CC)中，而不是位于电源线(也称为VBUS线)中 。
此DTI元件是Littelfuse制造的PolySwitch setP数字温度指示器 。其较小的表面安装尺寸为2 mm x 1.2mm，比其它温度感应器件小30%，并且可以轻松装入USB插头 。当周围温度达到一个特定值时，该器件会通过大幅增加其电阻来工作，并且使用该器件的电路关闭电源传输 。
图1显示了两个setP温度指示器模型的电阻与温度曲线 。在室温下，器件电阻小于10Ω 。在+100°C左右时，电阻至少会上升30倍 。
图1：两个setP数字温度指示器的电阻与温度的特性曲线，显示温度达到其阈值或指示温度约为100°C时电阻的较大变化 。
电路设计注意事项
在USB Type-C线缆的每个插头上放置一个setP数字温度指示器，以检测其中一个或两个连接器上的潜在故障 。连接配置通道(CC)中的每个DTI 。DTI利用USB-IF标准1定义的系统参数在达到DTI的跳闸温度时导致电源关闭 。
setP DTI是独特的应用，因为它被放置在CC线路中，而不是在充电电源的路径中 。因此，setP DTI使充电电路独立于电源;无论电源、充电器和接收器(正在充电的产品)之间达成的功率水平如何，DTI都能提供可靠的保护 。
【USB Type-C线缆热保护的五个设计注意事项】 USB-IF标准定义了一个监控电路，如图2所示 。根据在CC线路上测得的电压水平，监控源将知道何时连接或断开接收器 。
图2：USB-IF标准中定义的电路，用于监控CC线路上的电压 。由于针脚连接开路或CC线路中温度指示器的电阻增大，引起监控源输出端(Rp连接到线缆的CC线路)的电压升高，从而导致VBUS电压从四个连接器引脚A9、A4、B4和B9上消失 。Rd处的电压表征了监控源和负载之间通信的充电器功率水平 。(来源：通用串行总线C型线缆和连接器规范 。2.0版，2019年8月 。图4-5，第151页)
如果控制源端的CC电压达到标准中定义的水平，则VBUS针脚上的电源将被切断 。setP DTI电阻的增加将导致电压升高 。图3显示了USB Type-C插头的针脚布局 。针脚A5是CC线，而VBUS在四个针脚上：即A9，A4，B4和B9 。图4显示了DTI，一个连接器一个DTI，安装在CC线中 。
图3: USB Type-C插头针脚布局 。CC针脚A5高亮显示 。来源：通用串行总线Type-C线缆和连接器规格 。2.0版，2019年8月 。图2-2，第31页 。
图4：在线缆配置通道(CC)中安装数字温度指示器 。
温度指示器的推荐位置
温度指示器在连接器中的位置将决定传感器检测到的连接器针脚在故障情况下的温度升高了多少 。建议温度指示器的位置距离连接器针脚不超过3 mm 。
测试结果表明，将温度指示器放置在距连接器针脚的位置，每远离一毫米，连接器中的温度将会降低5°C 。例如，如果离针脚3 mm处的检测器温度升高到100°C，则距连接器3mm远的温度将降低15°C或至85°C 。
因此，将温度指示器放置在尽可能靠近连接器安装针脚的位置，可提供最佳保护，防止因故障而导致的高温上升 。温度指示器位置的建议布局如图5所示 。
图5: USB-Type C连接器中温度指示器的建议位置 。温度指示器应放置在距离连接器针脚3 mm的范围内 。
印刷电路板(PCB)布局和焊接建议
图6显示了温度指示器的推荐焊料布局焊盘 。焊膏的最大厚度为0.25 mm 。为避免损坏器件，请在焊接过程中确保最高温度不超过260°C 。还应使温度上升和下降速度分别不超过3°C/秒和2°C/秒 。保持温度高于217°C不超过150秒 。
图6：温度指示器的推荐PCB布局焊盘 。
PCB成型注意事项
容纳PCB的连接器通常使用内部模具来保护PCB 。聚丙烯材料是一种常见的模塑材料 。使用聚丙烯时的模具注射压力可达到400 psi 。数字温度指示器可承受普通的模具注射压力 。如果计划使用其它成型材料，请仔细考虑成型压力，以免对setP DTI施加物理约束 。
设计验证测试建议
设计者需要验证保护电路在线缆达到特定温度水平时是否能够保护线缆 。图7显示了一种测试配置 。
图7：测试设置，以验证当连接器温度达到设计极限时，CC通道中的温度指示器会关闭VBUS 。
热室将提供不同的温度 。在室中用一个示波器和一个热电偶来监测温度 。验证当达到温度指示器的转变温度时，VBUS电压是否降至低值 。
冷却热室，当温度降至温度指示器的转折温度以下时，验证VBUS电压是否恢复到其工作水平 。通过该测试和类似的设计验证测试，设计团队将能够自信地将线缆过渡到制造阶段 。
通过USB Type-C线缆的电流高达100W，热保护对于确保线缆坚固和安全至关重要 。setP数字温度指示器提供必要的温度保护，同时不限制线缆充电功率或干扰USB通信协议 。

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