USB Power Delivery 3.1 的保護方案

圖一 、USB PD3.1 ESD/EOS防護元件。晶焱

USB-IF協會發布了USB PD3.1快充協議標準，其中有關供電能力的內容，快充協議中分別定義標準功率範圍（Standard Power Range）最大充電功率保持100W不變，以及擴展功率範圍（Extended Power Range）新增28V、36V、48V三個電壓，所對應的電流均為 5 安培，因此最大輸出功率從100W擴展至 240W。

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EOS（Electrical Over Stress）等暫態雜訊突波經常就是來自這個熱插拔動作。

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。

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，如圖一所示。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，圖二即為完整的USB PD3.1介面的EOS解決方案保護線路。