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攜式產品充電。這種高功率、快速充電的能力減少了可攜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PolySwitchsetP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。

 

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]）

 

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。

 

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。

 

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。

 

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.

文章源自:CTIMES / 文章 【作者： Todd Phillips】