本文主要是針對USB PD 3.0控制器TPSTPS65994AD的浪涌防護方案，采用湖南靜芯研發(fā)的TDS浪涌保護器件對芯片進行浪涌防護，保護設(shè)備免受電氣系統(tǒng)中的浪涌電壓或浪涌電流的損害，確保設(shè)備的安全性。

一、TPS65994AD介紹

TPS65994AD是一款高度集成的獨立式雙端口USB Type-C和電力輸送 (PD)控制器，針對PC和筆記本電腦應用進行了優(yōu)化。TPS65994AD集成了完全管理的電源路徑與強大的保護功能，可提供完整的USB-C PD解決方案。TPS65994AD Intel和AMD的PC和筆記本電腦終端設(shè)備參考設(shè)計使用了此器件，確保PD控制器在這類設(shè)計中提供適當?shù)南到y(tǒng)級交互，此功能顯著降低系統(tǒng)設(shè)計的復雜性。

二、USB-PD介紹

USB-PD是一種基于 USB Type-C標準構(gòu)建的先進快速充電技術(shù)，它基于充電規(guī)范運行，以最大限度地提高傳輸?shù)竭B接設(shè)備的功率。USB-PD規(guī)范定義了設(shè)備如何利用 USB Type-C連接器供電，以及如何在供電過程中識別和管理這些設(shè)備。USB-PD的一個關(guān)鍵特性是，它可以使設(shè)備能夠在精確傳輸或接收電源之前通過 USB Type-C連接器上的專用通信通道進行通信。這可以讓設(shè)備僅獲得所需的功率，防止過度充電或充電不足的問題。

由USB實施者論壇（USB-IF）設(shè)計的USB供電（USB-PD）規(guī)范已經(jīng)發(fā)展了四個版本，逐步增強了供電能力和靈活性。最初的USB-PD 1.0僅提供固定功率配置：10W（5V，2A）、18W（12V，1.5A）、36W（12V，3A）、60W（20V，3A）和100W（20V，5A）。USB-PD 2.0為標準功率范圍（SPR）引入了四個固定電壓電平（5V、9V、15V、20V），具有3A或5A的靈活電流選項。這種組合實現(xiàn)了更多通用的充電選項，功率范圍從0.5W到100W不等。USB-PD 3.0進一步擴展了USB-PD 2.0的功能，提供額外的設(shè)備信息，如電源狀態(tài)、電池電量和系統(tǒng)通知。

三、TDS器件介紹

TDS(平緩鉗位浪涌抑制器)具有精準且恒定的觸發(fā)電壓、優(yōu)異的鉗位性能及穩(wěn)定的溫度特性，可為系統(tǒng)提供更全面保護。當 EOS 事件來臨時，瞬態(tài)電壓攀升至超過集成精密觸發(fā)器所設(shè)定的擊穿電壓（VBR）閾值，觸發(fā)電路精確的開啟內(nèi)置泄流場效應晶體管，有效的將瞬態(tài)高壓與大電流安全釋放到地。由于TDS的內(nèi)置泄流場效應晶體管具有極低的導通電阻，其鉗位電壓在額定峰值脈沖電流范圍內(nèi)幾乎是恒定的。

在選擇浪涌防護器件時，許多工程師會優(yōu)先選擇TVS二極管，實際上大電流TDS芯片在成本和性能、面積上比TVS更具優(yōu)勢。TDS器件的優(yōu)勢如下：

在提供相同保護的情況下，TDS耗散浪涌能量較小，能通過自身特性將過壓與過流事件高效泄放到地，從而避免增加自身熱損耗。

TDS器件體積小巧，結(jié)構(gòu)緊湊，為硬件工程師設(shè)計高度集成型解決方案提供了更優(yōu)選擇。如果應用需要超過單個TDS器件所能提供的特定鉗位電壓， 可以將多個TDS器件串聯(lián)，提供了更多的靈活性。

TDS器件的鉗位電壓通常比傳統(tǒng)TVS保護設(shè)備的鉗位電壓低30%，減少了系統(tǒng)的電氣應力，可以更好的保護后端IC，也為系統(tǒng)中的其他組件創(chuàng)造了更大的安全余量。

TDS器件在額定峰值脈沖電流范圍內(nèi)擁有幾乎恒定的鉗位電壓。傳統(tǒng)TVS二極管的箝位電壓隨著峰值脈沖電流的增加而增加，而TDS器件的鉗位電壓在最大峰值脈沖電流之前幾乎保持不變。

TDS器件的鉗位電壓在工作溫度范圍內(nèi)保持穩(wěn)定，而傳統(tǒng)TVS二極管的鉗位電壓隨溫度變化。TDS器件擁有卓越的耐用性，在工作規(guī)格內(nèi)性能不會下降，仍能保證低漏電和高鉗位電壓。

四、應用方案

圖1應用方案

上圖介紹了使用PD 3.0控制器TPS65994AD的部分參考設(shè)計。USB PD 3.1可以提供高達 100W的功率,VBUS上的最大電壓可以達到20V（20V&5A）。如果總線上的電壓增加超過其設(shè)計參數(shù)，USB PD控制器可能會損壞。因此設(shè)計人員經(jīng)常選擇使用具有高于標定峰值脈沖電流(IPP)額定值的TVS二極管器件保護總線，VBUS引腳的安全性就需要使用工作電壓高于 20V的防護器件來保護 VBUS引腳，以保持鉗位電壓低于PD控制器損壞閾值。

ESTVS2200DRVR是湖南靜芯開發(fā)的平緩浪涌抑制器(TDS)，可用于保護工作電壓為 20V、22V、24V的系統(tǒng)，具有精準且恒定的觸發(fā)電壓、優(yōu)異的鉗位性能及穩(wěn)定的溫度特性，可為系統(tǒng)提供更全面保護。ESTVS2200DRVR器件為 DFN 2mm x 2mm x 0.68mm 6引腳封裝，工作電壓最大可達 24V，可在 ESD和浪涌事件發(fā)生時保護 USB-PD控制器。它具有25.6V的觸發(fā)電壓和 70A(tp=8/20μs)的峰值脈沖電流,鉗位電壓VC為30V以內(nèi)，且符合IEC 61000-4-2 (ESD)規(guī)范，在 ±30kV（空氣）和 ±30kV（接觸）下提供瞬變保護。

五、器件電氣特性表

At TA = 25℃ unless otherwise noted

表1 ESTVS2200DRVR電氣特性表

六、總結(jié)與結(jié)論

TPS65994AD作為常用的PD控制芯片，浪涌防護十分關(guān)鍵。靜芯公司推出的系列TDS芯片具有接近理想狀況的ESD和EOS保護特性，可以廣泛應用于USB/雷電接口、工業(yè)機器人、IO-Link接口、工業(yè)傳感器、IIoT設(shè)備、可編程邏輯控制器(PLC)和以太網(wǎng)供電(PoE)等領(lǐng)域，可為系統(tǒng)提供更全面以及更可靠的保護。目前公司推出來ESTVS2200DRVR、ESTDS2211P、ESTVS3300DRVR、ESTDS3311P等型號，歡迎客戶前來咨詢選購。

審核編輯 黃宇