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首頁 技術頻道 改善電路設計/溫度監控 Type-C電纜快充升溫有解方

改善電路設計/溫度監控 Type-C電纜快充升溫有解方

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USB開發者論壇(USB-IF)開發的USB供電(USB-PD)和USB Type-C連接器以及電纜元件規範是最新一代有線充電解決方案的核心。USB供電規範通過單根電纜提供更靈活的電力傳輸和資料,實現了USB的最大功能。

符合USB-PD和USB Type-C規格的快速充電器和電纜可支援高達100W的充電功率。根據所涉及的設備,這意味著他們可以比無線充電器更快地為手機或其它設備充電。帶有足夠長電纜的有線充電器還允許用戶在充電時與他們的設備保持互動,這對於手機上癮的人來說是一個主要優勢。

儘管這些優點對用戶很重要,但對於設計人員來說,考慮電纜到設備連接處的電源和溫度管理相關的安全問題也同樣重要。如果沒有適當的電路設計(包括溫度監測),電纜和連接器可能會在連接內部積聚污染物,導致它們快速升溫,進而容易損壞或破壞電纜和移動設備。

在任何充電系統中,三個獨立的產品必須一起工作,即正在充電的設備、電纜和充電器。USB Type-C(或USB-C)電纜具有一個或多個對稱(因此可順逆插拔)24針連接器。USB Type-C充電器的一端有一個AC插頭(用於插入牆上插座),另一端是帶有USB Type-C連接器的電纜(用於插入要充電的設備)或用於插入在USB Type-C電纜中的USB Type-C輸出埠。

從安全的角度來看,USB Type-C電纜必須能夠承載適當的電壓和電流;而對於帶有外加電纜或是固定電纜的充電器來說,電纜必須能夠承載充電器的最大輸出電壓。

帶有USB Type-C插頭的電纜必須能夠承載21V電壓和至少3A的電流。帶有特殊電子標記IC的電纜可承載5A的電流。放置在電源路徑中的任何一個元件,尤其是對保護元件而言,也必須要能夠承受這些電壓和電流。

髒污是USB Type-C電纜損壞根源

USB Type-C連接器的引腳間距為0.5mm,比USB Type-A連接器中的2.5mm引腳間距更緊密。這種更加緊湊的間距顯著地增加了可能導致發熱的故障風險。當連接器針腳變形或含有髒污、金屬顆粒、頭髮或其它髒汙碎屑卡在USB Type-C纜線連接器內時,可能會產生電源線到地的阻抗故障。即使僅增加很小的電流時,這些阻抗故障仍可能導致危險的溫度升高,損壞電纜和設備,甚至引起火災的情況已時有所聞。

保護USB電纜免於過熱的傳統方法包括在VBUS電源線上放置聚合物正溫度係數器件(PPTC)或微型斷路器(也稱為熱斷路器)。所選擇的元件將被放置在連接器內部的印刷電路板上,以感測由阻抗故障引起的溫度升高。

然而,當試圖保護高達100W時,使用這種方法可能會對設計工程師造成挑戰。在電源線路中添加保護裝置的一個缺點是:電阻的增加,即使只是毫歐姆的電阻,也會造成有效功率損失,使製造商更難滿足強制性的效率要求。

USB Type-C連接器的封閉性也會使其很難安裝保護裝置。適用於保護60W充電器的PPTCS通常使用1210(3.2×2.5mm)的封裝,而小型斷路器通常更大。用來保護100W的PPTCS和微型斷路器需要更大的封裝。此外,微型斷路器的機械結構相對較弱,電纜組裝過程有可能使其所用的雙金屬片材料變形,這將無法在對熱故障狀況發生時,提供適當保護。

貼片型數位溫度指示器保護USB  Type-C電纜免過熱

解決這些缺點的一種方法是將一款不同類型的保護元件放置在USB Type-C連接器的資料線(CC)上,而不是VBUS線上。貼片型(2.0×1.2mm)的PolySwitch setP數位溫度指示器是為保護USB Type-C電纜免受過溫狀況影響而開發的最新元件之一。setP元件感應到溫度升高,然後告警使系統關閉電源流。此設計符合USB Type-C的規格,甚至可以說明保護最高水準的USB供電。

setP數位溫度指示器放置在連接器的訊號線(CC)上,當它感測到溫度高於100℃時,它會從低阻狀態切換到高阻狀態。電阻升高導致CC線上的電壓增加,超過USB-IF定義的值,以確定電源和接收器是否分離。因為電壓高於規範中規定的值,充電系統認為電纜已經脫離,因此充電系統通過VBUS線關閉電源。這可以避免連接器,電纜和設備充電過熱。一旦用戶斷開電纜並從連接器中清除碎屑或排除髒污狀況,電纜就可以恢復正常操作。

憑藉貼片型的0805(2.0×1.2mm)封裝,setP元件比過去在此應用中的大多數其它解決方案至少減少了30%以上的尺寸大小。它們剛性的物理結構還使它們能夠可靠地承受現代電纜組裝和成型操作。它們非常適合用於USB Type-C充電線,USB供電充電和帶有USB Type-C充電線的充電器。USB Type-C電纜為用戶提供了一種快速,簡單的方式來為移動設備充電和傳輸資料。現在,隨著溫度指示新解決方案的開發,他們可以保證該過程也將更加安全。

(本文作者為Littelfuse電子業務部全球市場經理)

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