Ruilin Semiconductor (Shenzhen) Co., Ltd.

Protection PPTC Ruilin pour USB Type-C

L'USB Type-C est devenu le connecteur standard pour les smartphones, les tablettes, les ordinateurs portables, les équipements industriels, l'électronique grand public, les stations d'accueil et de nombreux autres produits électroniques. Son connecteur réversible et sa prise en charge de niveaux de puissance plus élevés rendent l'USB-C pratique, mais ils introduisent également des exigences supplémentaires en matière de protection des circuits.

Un port USB-C fiable peut avoir besoin d'une protection contre les surintensités, les courts-circuits, les ESD, les surtensions et les défauts VBUS accidentels. Ces fonctions de protection sont normalement gérées par différents composants plutôt que par un seul appareil.

Un fusible réinitialisable PPTC est particulièrement utile pour protéger le chemin d'alimentation USB-C, en particulier la ligne VBUS, contre les conditions de courant excessif et de court-circuit soutenu.

Cet article explique comment la protection PPTC peut être utilisée dans les conceptions USB Type-C, ce que font les broches CC et en quoi la protection contre les surintensités USB-C diffère de la protection ESD.

1. Pourquoi l'USB Type-C a-t-il besoin d'une protection contre les circuits?

L'USB Type-C combine la fourniture d'alimentation et la communication de données haute vitesse dans un connecteur compact. Le connecteur USB Type-C comprend des broches d'alimentation VBUS, la masse, des lignes de données USB, des lignes TX / RX haute vitesse, des broches CC1 / CC2 configuration-channel et des broches SBU pour des fonctions alternatives prises en charge.

T
La géométrie compacte du connecteur signifie également que la protection ne peut pas être considérée uniquement du point de vue de l'alimentation.

Les conditions de défaut USB-C typiques incluent :

VBUS overcurrent

Court-circuit VBUS

Courant excessif causé par un périphérique endommagé

ESD lorsqu'un utilisateur insère ou retire un câble

Court-circuit accidentel entre CC et VBUS

Surtension sur les lignes CC ou SBU

Défauts causés par des câbles ou accessoires non conformes

Par conséquent, une conception de protection USB-C pratique sépare normalement les exigences de protection en plusieurs domaines :

Cette distinction est importante : PPTC est principalement un composant de protection contre les surintensités et les courts-circuits, et non un dispositif de protection ESD.

2. Comment un PPTC protège-t-il un port USB-C?

Un PPTC, également appelé fusible réinitialisable à coefficient de température positif polymère, est normalement connecté en série avec le chemin d'alimentation protégé.

Pour une entrée d'alimentation USB-C, une structure de protection simplifiée peut être représentée comme suit :

Charge du circuit de gestion de l'alimentation USB-C VBUS PPTC

Dans des conditions de fonctionnement normales, le PPTC a une résistance relativement faible et laisse passer le courant de fonctionnement requis.

Lorsqu'une condition anormale de surintensité ou de court-circuit se produit, le PPTC chauffe. Sa résistance augmente considérablement, limitant le courant circulant dans le circuit protégé.

Une fois le défaut supprimé et le PPTC refroidi, sa résistance diminue et l'appareil peut reprendre son fonctionnement normal.

Cela rend un PPTC particulièrement attrayant pour les équipements où le remplacement d'un fusible conventionnel après chaque défaut n'est pas souhaitable.

Séquence de protection PPTC USB-C typique

Fonctionnement normal

Charge VBUS PPTC

Surintensité

VBUS PPTC chauffe La résistance augmente Le courant est limité

Défaut supprimé

PPTC refroidit La résistance diminue Le fonctionnement normal reprend

Le comportement de protection réel dépend des caractéristiques électriques du PPTC, de la température ambiante, de la disposition du PCB et des conditions de défaut. Les concepteurs doivent donc sélectionner l'appareil en utilisant la fiche technique du fabricant plutôt que de choisir une pièce uniquement à partir de son courant nominal.

3. Où le PPTC doit-il être placé dans un circuit USB-C?

Pour les applications où l'USB-C est utilisé comme entrée d'alimentation, le PPTC est généralement placé en série avec le chemin d'alimentation VBUS.

Un circuit simplifié est :

Convertisseur USB-C VBUS PPTC DC / DC / Système PMIC

L'objectif est d'empêcher un courant excessif causé par un défaut en aval de circuler continuellement à travers le connecteur, les traces de PCB et les circuits de gestion de l'alimentation.

Pour une application de sortie ou de source d'alimentation USB-C, l'architecture de protection peut être différente. Un circuit intégré de protection de chemin d'alimentation dédié ou un commutateur de limitation de courant peut être utilisé avec d'autres composants de protection.

La bonne solution dépend du fait que le port USB-C fonctionne comme :

Évier

Source

Port d'alimentation double rôle (DRP)

Port de données USB

Port de charge USB-C

Port USB-PD

4. L'USB-C a-t-il une protection contre les surintensités?

L'USB-C lui-même ne signifie pas automatiquement que le système dispose d'une protection complète contre les surintensités.

La spécification USB Type-C définit le comportement du connecteur et de l'interface, tandis que l'implémentation réelle du système détermine comment les surintensités et autres conditions de défaut sont gérées.

Par exemple, les conceptions de sources USB-C peuvent utiliser des circuits de protection dédiés pour fournir une protection contre les surintensités VBUS. STMicroelectronics décrit les sources USB-C et les applications à double rôle où une protection contre les surintensités est requise sur le chemin VBUS.

Selon la conception, la protection contre les surintensités peut être mise en œuvre en utilisant :

Fusibles réinitialisables PPTC

Commutateurs limiteurs de courant

CI de protection USB-C

Contrôleurs de chemin d'alimentation

Dispositifs eFuse

Circuits de protection basés sur MOSFET

Un PPTC est attrayant lorsque la conception nécessite une solution de protection contre les surintensités simple, passive et réinitialisable.

Cependant, si l'application nécessite une limitation précise du courant, un arrêt électronique rapide, un contrôle du chemin d'alimentation ou une gestion détaillée des pannes USB-PD, un circuit intégré de protection dédié peut être plus approprié.

5. Comment protéger votre port USB-C?

Une stratégie de protection USB-C complète utilise normalement plusieurs couches.

Couche 1 : Protection contre les surintensités VBUS

Utilisez un
Fusible réinitialisable PPTC
en série avec le chemin VBUS pour limiter le courant excessif causé par un court ou une surcharge en aval.

Couche 2 : Protection ESD

Utilisez une protection ESD / TVS appropriée pour le signal USB-C et les broches d'interface si nécessaire.

L'ESD est particulièrement important car le connecteur est fréquemment exposé au contact direct de l'utilisateur. Les références de protection USB Type-C des principaux fabricants de semi-conducteurs incluent la protection ESD IEC 61000-4-2 dédiée pour les broches d'interface CC et USB-C.

Couche 3 : Protection CC

CC1 et CC2 nécessitent une attention particulière car ils sont situés à proximité de VBUS et sont utilisés pour la configuration et la gestion des connexions.

Les circuits intégrés de protection USB-C dédiés peuvent fournir une protection contre les surtensions lorsque les broches CC sont exposées à un défaut VBUS.

Couche 4 : Protection contre les surtensions VBUS

Pour les applications USB-C PD, le système d'alimentation peut fonctionner à des tensions VBUS nettement plus élevées que les applications USB 5 V traditionnelles.

Par conséquent, les concepteurs peuvent avoir besoin d'une protection OVP et d'une autre protection contre les surintensités.

Couche 5 : Protection au niveau du système

La conception de la protection devrait également prendre en compte :

Capacité de courant de trace de PCB

Évaluation du connecteur

Température de fonctionnement

Caractéristiques du câble

Tension de fonctionnement USB-PD

Courant de charge continu maximal

Courant de défaut

Temps d'interruption requis

Comportement de réinitialisation requis

Un PPTC doit donc être considéré comme une partie de l'architecture de protection USB-C, plutôt que comme un remplacement de tous les autres composants de protection.

6. L'USB a-t-il besoin d'une protection ESD?

Oui, les interfaces USB nécessitent généralement un examen attentif de la protection ESD, en particulier des ports USB accessibles en externe.

Les connecteurs USB-C sont directement exposés à l'insertion, au retrait et au contact de l'utilisateur. Un événement ESD peut coupler une énergie transitoire dans un émetteur-récepteur USB sensible, un contrôleur et des circuits de gestion de l'alimentation.

Cependant, la protection PPTC et ESD a des objectifs différents.

Un PPTC répond principalement à un courant et à un chauffage excessifs sur un intervalle de défaut plus long.

Un dispositif de protection ESD est conçu pour répondre à des événements transitoires très rapides et serrer la tension pour protéger les dispositifs semi-conducteurs sensibles.

Par conséquent :

PPTC ≠ protection ESD

Une conception typique peut utiliser :

Connecteur USB-C Protection ESD / TVS sur les lignes de signal

et

Circuit d'alimentation USB-C VBUS PPTC

Cette combinaison répond à deux classes différentes de défauts électriques.

7. Que sont les broches CC sur USB-C?

Les broches CC sont des broches de canal de configuration, appelées CC1 et CC2.

Ils font partie intégrante de l'interface USB Type-C et sont utilisés pour établir et gérer la connexion entre une source USB-C. Ils participent également à la détection de l'orientation des câbles et à la publicité / configuration actuelle.

Le connecteur USB Type-C utilise deux broches CC car le connecteur est réversible. Selon la façon dont la fiche est insérée, l'une des broches CC devient le canal de configuration actif.

Les broches CC peuvent être impliquées dans :

Détection de fixation de câble

Détection de l'orientation de la prise

Identification de la source / du puits

Annonce de capacité actuelle

Communication USB Power Delivery

Fonctions liées à VCONN dans les configurations applicables

Parce que les broches CC sont physiquement proches du VBUS, elles peuvent également être exposées à des conditions de tension anormales. Des dispositifs de protection USB-C dédiés sont disponibles spécifiquement pour protéger CC1 / CC2 contre les événements courts vers VBUS et ESD.

C'est une autre raison pour laquelle un PPTC placé sur VBUS ne devrait pas être considéré comme une solution de protection CC complète.

8. Circuit intégré de protection PPTC vs USB-C

Le choix entre un PPTC et un circuit intégré de protection USB-C dédié dépend de l'exigence de protection.

Pour une conception d'entrée d'alimentation USB-C simple, un PPTC peut fournir une première couche rentable de protection contre les surintensités.

Pour l'USB-C PD, les applications haute puissance ou les conceptions nécessitant un contrôle électronique précis, un circuit intégré de protection dédié peut être utilisé en plus - ou à la place - d'un PPTC.

9. Comment sélectionner un PPTC pour la protection USB-C

La sélection d'un PPTC basé uniquement sur le courant nominal USB-C n'est pas suffisante.

Les paramètres suivants doivent être pris en compte.

9,1 Maintenir le courant - Ihold

Ihold est le courant maximal que le PPTC peut transporter dans des conditions spécifiées sans entrer dans son état déclenché.

L'Ihold sélectionné doit être supérieur au courant de fonctionnement continu normal de l'application.

9,2 Courant de voyage - iTrip

Itrip est le courant auquel le PPTC devrait entrer dans son état de protection haute résistance dans des conditions de test spécifiées.

Une conception appropriée devrait garantir que le PPTC peut répondre au courant de défaut attendu.

9,3 Tension maximale

La tension de fonctionnement maximale du PPTC doit être compatible avec l'application VBUS USB-C.

Ceci est particulièrement important pour les applications d'alimentation USB-C.

9,4 Courant de défaut maximal

Le concepteur doit vérifier le courant de défaut maximal et la capacité d'interruption / de gestion des pannes du PPTC dans les conditions réelles du circuit.

9,5 Résistance initiale

La résistance initiale du PPTC affecte directement la chute de tension et la dissipation de puissance.

Pour les applications USB-C à courant plus élevé, une faible résistance initiale devient de plus en plus importante.

9,6 Dératation de la température

Les caractéristiques PPTC dépendent de la température.

Une pièce qui fonctionne correctement à 25 ° C peut se comporter différemment à des températures ambiantes élevées.

Par conséquent, Ihold et Itrip doivent toujours être évalués par rapport à la plage de températures de fonctionnement réelle.

10. Protection PPTC pour les applications de charge USB-C

Les applications de charge USB-C sont l'un des cas d'utilisation les plus pertinents pour la protection PPTC.

Les exemples incluent :

Chargeurs muraux USB-C

Banques de puissance

Électronique portable

Terminaux portables industriels

Appareils domestiques intelligents

Contrôleurs intégrés

Électronique grand public

Hubs USB-C

Stations d'accueil

Équipement alimenté par batterie

Pour ces produits, le PPTC peut fournir une couche de protection supplémentaire contre les conditions de courant anormales sur le trajet d'alimentation.

Une architecture typique peut inclure :

Connecteur USB-C-Protection ESD / TVS-Fusible réinitialisable PPTC sur VBUS-OVP / Protection de l'alimentation-Convertisseur CC / CC ou charge du système PMIC

L'architecture exacte dépend du fait que le port USB-C soit configuré en tant que port source, évier ou double rôle.

11. Pourquoi utiliser un PPTC au lieu d'un fusible conventionnel?

Un fusible conventionnel doit normalement être remplacé après son fonctionnement.

Un fusible réinitialisable PPTC peut revenir à son état de faible résistance une fois que le défaut a été supprimé et que l'appareil s'est refroidi.

Cela offre plusieurs avantages pour les produits USB-C :

Pas de remplacement de fusible après un défaut temporaire

Implémentation compacte de PCB

Protection passive simple

Réinitialisation automatique

Faible nombre de composants externes

Convient à l'électronique grand public produite en série

Utile pour la protection contre les surintensités et les courts-circuits soutenus

Cependant, la protection PPTC n'est pas instantanée de la même manière qu'un interrupteur de protection électronique ou une pince transitoire. Sa réponse dépend des caractéristiques de l'appareil et des conditions de défaut.

Pour cette raison, le PPTC doit être sélectionné en fonction de l'objectif de protection réel.

12. Considérations de conception pour la protection PPTC USB-C

Lors de la conception d'un circuit USB-C, les ingénieurs doivent évaluer l'ensemble du chemin de protection plutôt que de sélectionner un composant indépendamment.

Les questions importantes incluent :

Quel est le courant VBUS continu maximal?

Le port est-il une source, un puits ou un DRP?

L'application prend-elle en charge la fourniture d'alimentation USB?

Quelle est la tension VBUS maximale?

Quel est le courant de court-circuit attendu?

Quelle plage de température ambiante le produit doit-il supporter?

La protection ESD est-elle requise sur les lignes CC, D + / D-, SBU et à grande vitesse?

Une protection courte CC-VBUS est-elle requise?

Quelle chute de tension le système peut-il tolérer?

La réinitialisation automatique est-elle nécessaire?

Ces facteurs déterminent si la solution optimale est un PPTC seul ou une combinaison de PPTC, de protection TVS / ESD et d'un circuit intégré de protection USB-C.

13. Protection PPTC pour USB Type-C : clés à emporter

L'USB Type-C offre des avantages significatifs en matière de fourniture d'énergie, de connectivité et de convivialité des connecteurs, mais son interface compacte et multifonctionnelle nécessite une stratégie de protection bien conçue.

Les points clés sont :

PPTC peut fournir une protection contre les surintensités réinitialisable sur le chemin d'alimentation USB-C VBUS.

PPTC n'est pas un dispositif de protection ESD.

Les ports USB-C peuvent nécessiter une protection ESD / TVS dédiée.

CC1 et CC2 sont des broches de canal de configuration utilisées pour les fonctions de connexion et de configuration.

Les broches CC peuvent nécessiter une protection dédiée contre les conditions ESD et court à VBUS.

La protection contre les surintensités USB-C est déterminée par l'implémentation du système, pas simplement en ayant un connecteur de type C.

Les applications USB-C PD nécessitent un examen attentif des cotes de tension, de courant et de protection.

La sélection PPTC doit prendre en compte les conditions Ihold, Itrip, résistance, tension, température et défaut.

Pour les produits USB-C sensibles aux coûts nécessitant une protection simple et réinitialisable du chemin d'alimentation, un PPTC correctement sélectionné peut être un composant efficace dans une stratégie de protection multicouche.

FAQs

Comment protéger votre port USB-C?

Un port USB-C nécessite généralement différents types de protection pour différentes conditions de défaut. Une conception typique peut utiliser un fusible réinitialisable PPTC pour la protection contre les surintensités VBUS, des dispositifs ESD / TVS pour la protection transitoire et un circuit intégré de protection USB-C dédié où une protection contre les surtensions CC, SBU ou VBUS est requise.

L'USB a-t-il besoin d'une protection ESD?

Oui. Les ports USB accessibles de l'extérieur sont exposés aux décharges électrostatiques des utilisateurs et des câbles. La protection ESD est normalement mise en œuvre à l'aide de dispositifs de protection ESD / TVS dédiés ou de circuits intégrés de protection. Un PPTC ne doit pas être utilisé comme substitut à la protection ESD.

L'USB-C a-t-il une protection contre les surintensités?

L'USB-C lui-même ne garantit pas une protection complète contre les surintensités au niveau du système. Le concepteur du produit doit mettre en œuvre les circuits de protection appropriés. Selon l'application, cela peut inclure un PPTC, un limiteur de courant, un eFuse, un contrôleur de chemin d'alimentation ou un circuit intégré de protection USB-C.

Que sont les broches CC sur USB-C?

CC1 et CC2 sont des broches de canal de configuration dans l'interface USB Type-C. Elles sont utilisées pour la détection de connexion, l'orientation de la prise, la configuration source / évier et les fonctions USB-C. Elles jouent également un rôle important dans la communication USB Power Delivery.

Un PPTC peut-il protéger l'USB-C de l'ESD?

Non. Un PPTC est conçu principalement pour la protection contre les surintensités et les pannes soutenues. L'ESD est un événement transitoire très rapide et nécessite normalement une protection ESD / TVS dédiée.

Où un PPTC doit-il être installé dans un circuit USB-C?

Pour la protection du chemin d'alimentation USB-C, le PPTC est normalement connecté en série avec le chemin VBUS. L'emplacement exact dépend de l'architecture du système et du fait que le port USB-C fonctionne comme un port source, évier ou à double rôle.

Un PPTC est-il adapté à la fourniture d'alimentation USB-C?

Cela peut être, à condition que le PPTC sélectionné soit évalué pour les conditions de tension, de courant, de température et de défaut de l'application. Les applications USB-C PD nécessitent une attention particulière à la tension et au courant VBUS car le niveau de puissance peut être nettement plus élevé que les applications USB traditionnelles.

Quelle est la différence entre la protection PPTC et TVS pour USB-C?

Un PPTC limite principalement les courants excessifs et protège contre les conditions de surintensité ou de court-circuit soutenues. Un dispositif TVS / ESD serre les tensions transitoires rapides telles que l'ESD. Ils protègent contre différents mécanismes de défaillance et peuvent être utilisés ensemble.

Comment choisir un PPTC pour USB-C?

Commencez par le courant de fonctionnement normal et la tension VBUS maximale, puis évaluez Ihold, Itrip, la résistance initiale, la réduction de température, le courant de défaut et la chute de tension requise. Vérifiez toujours la pièce sélectionnée à l'aide de la fiche technique du fabricant et des conditions d'application.

À propos de Ruilin Semiconductor 

Ruilin Semiconductor (Shenzhen) Co., Ltd. est un fabricant de composants de semi-conducteurs et de protection de circuits axé sur des solutions de protection fiables pour les applications électroniques.

Ruilin Semiconductor développe et fabrique des fusibles réinitialisables PPTC pour des applications telles que les interfaces USB, l'électronique grand public, les équipements industriels, l'électronique automobile, les alimentations électriques, les produits alimentés par batterie et d'autres systèmes électroniques.

Notre portefeuille de produits PPTC couvre différentes tailles d'emballage, tensions nominales et plages de courant pour aider les ingénieurs à sélectionner une protection contre les surintensités réinitialisable appropriée pour leurs conceptions.

Pour les applications USB Type-C, Ruilin Semiconductor fournit des solutions PPTC pour la protection contre les surintensités et les courts-circuits VBUS, aidant les clients à créer des circuits de protection d'alimentation compacts, réinitialisables et rentables.

Pour les spécifications électriques détaillées, y compris Ihold, Itrip, résistance, tension nominale, temps de déclenchement et caractéristiques de température, les ingénieurs doivent se référer à la fiche technique PPTC Ruilin Semiconductor correspondante.

Ruilin Semiconductor - Fabricant de fusibles réinitialisables PPTC pour une protection fiable des circuits.