USB Power Delivery 3.1 的保護方案

表一、 Fixed Voltage Power Ranges

USB PD3.1規範的推出，未來不會僅侷限在於個人電腦、筆記型電腦、平板、及智慧型手機等消費型的應用，將會帶領USB PD快充進入一個更大的市場，比如電動工具機或兩輪電動車等領域。而USB PD3.1主要是建構在USB Type C的實體接口上，除了可以將傳輸速率最高提升到120Gbit/s，而且還可快速充電，最大供電為240W。此接口在系統上是外露給使用者隨時可以插拔的接口，使用者最普遍的應用就是隨插即用、隨拔即關，然而這個熱插拔動作卻也經常是造成電子系統工作異常、甚至造成USB Type C控制元件毀壞的元兇，因為靜電放電(ESD)以及EOS (Electrical Over Stress)等暫態雜訊突波經常就是來自這個熱插拔動作。一般經常提及的插拔浪湧指的就是熱插拔時所引起的EOS破壞，經查觀察到的來源包括插拔電源時造成的overshoot或undershoot現象，以及未接地良好的兩個系統互相連接纜線時再接口處觀察到的跳火現象等等。此外，在熱插拔中，由於接口端的訊號線、電源線可能已經帶電，這個帶電的電纜在接觸系統時將造成放電行為，這種事件即為靜電放電現象會對系統產生嚴重破壞，一般稱這種現象為直接放電。 目前在系統的靜電放電測試上，越來越多廠商要求以Direct-Pin Injection方式測試產品，以此來模擬系統在用戶端使用時所遭受到ESD事件。     

除了原先必須通過IEC61000-4-2針對機殼的靜電測試的規範外，有越來越多品牌廠商已經規範其產品的USB Type C連接器需以Direct-Pin Injection方式測試，甚至部分品牌要求在±8kV ESD轟擊的條件下，系統必須在不受任何影響之下通過測試，以此來模擬產品售後熱插拔時可能遭遇的直接放電事件。因此，使用保護元件於USB Type C介面來防止ESD/EOS事件對資料傳輸的干擾甚至造成產品燒毀是絕對需要的。     

由於電子產品已迅速深入全球各個角落，但許多偏遠地區因基礎建設不佳，或是氣候極端的影響，電子產品遭受EOS(Electrical Over Stress)突波的機率大大提高，所導致返修率也隨之提升。 EOS通常產生於AC/DC電源干擾、電源雜訊或前述提及過的熱插拔等事件，而目前EOS測試的標準主要是採用IEC61000-4-5的規範，測試電壓波形為1.2/50us和電流波形為8/20us。部分品牌廠除了制定內規的ESD Direct-Pin Injection方式測試外，還會額外增加EOS Direct-Pin Injection方式測試。圖一為EOS Direct-Pin Injection測試設置。

對於USB PD3.1的介面而言，在選擇ESD/EOS保護元件時必須考慮到： 

1. 最重要的參考參數是ESD and EOS clamping voltage，ESD/EOS保護元件若要能對系統提供有效保護，除了防護元件本身要能承受夠高的ESD/EOS轟擊外，還需要考慮箝制電壓是否夠低，使得ESD/EOS的能量能被箝制在更低的電壓以防止系統內部電路受到損毀，此箝制電壓是判斷ESD/EOS保護元件對於系統電路保護效能最重要的參數。 
2. 此介面可提供快速充電需求，分別可以支援5V/9V/15V/20V/28V/36V/48V等不同電壓。充電時因頻繁的熱插拔動作可能在電源線上產生頻繁ESD/EOS威脅，因此在系統設計時不僅需考量ESD問題，亦需在系統上採用更加完善的外部突波ESD/EOS保護方案設計。     

晶焱科技擁有先進的ESD/EOS防護設計技術，特別針對USB PD3.1的防護需求，推出不同電壓的ESD/EOS防護元件。如下圖二所示。

此接口可提供快速充電，在電源端不能只考慮ESD的影響，而是需選用一顆含括EOS防護能力的元件，依據設計的電壓來選用合適的ESD/EOS元件來保護，就可以保護此接口不受ESD/EOS的威脅，圖三即為完整的USB PD3.1介面的EOS解決方案保護線路。