汽車類 USB 2.0 接口保護(hù)器件 TPD3S713-Q1 和 TPD3S713A-Q1 深度解析

在汽車電子領(lǐng)域，USB 接口的穩(wěn)定性和安全性至關(guān)重要。TPD3S713-Q1 和 TPD3S713A-Q1 作為具有可調(diào)節(jié)限流和 $V_{BATT}$ 短接保護(hù)功能的汽車類 USB 2.0 接口保護(hù)器件，為汽車 USB 應(yīng)用提供了可靠的解決方案。本文將對這兩款器件進(jìn)行詳細(xì)介紹，希望能為電子工程師在相關(guān)設(shè)計中提供有益的參考。

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器件特性與優(yōu)勢

全面保護(hù)功能

TPD3S713x-Q1 符合面向汽車應(yīng)用的 AEC - Q100 標(biāo)準(zhǔn)，能在汽車 USB 集線器、音響主機(jī)、遠(yuǎn)程信息處理和媒體接口應(yīng)用中，為高速數(shù)據(jù)和電力線提供電池短路、短路和 ESD 保護(hù)。它能隔離內(nèi)部系統(tǒng)電路，防止其受到 $V{BUS}$、$DP{IN}$ 和 $DM_{IN}$ 引腳上任何過壓情況的影響，可處理高達(dá) 18V 的過壓，并關(guān)閉內(nèi)部開關(guān)，保護(hù)上游收發(fā)器。

高速數(shù)據(jù)傳輸

集成的數(shù)據(jù)開關(guān)提供了高達(dá) 1.2GHz 的帶寬，能夠在 USB 發(fā)生電池短路時最大限度地減少信號衰減，可利用汽車 USB 環(huán)境中常見的長系留線纜來實(shí)現(xiàn)干凈的 USB 2.0 高速 480Mbps 眼圖，確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性。

靈活的限流功能

$V_{BUS}$ 引腳提供靈活的可調(diào)節(jié)限流負(fù)載開關(guān)，電流范圍從 50mA 到 600mA，可根據(jù)端口需求調(diào)整電流，節(jié)省系統(tǒng)功率預(yù)算。

良好的 ESD 防護(hù)

符合 IEC 61000 - 4 - 2 標(biāo)準(zhǔn)的 $DP{IN}$、$DM{IN}$ 和 $V_{BUS}$，能承受 ±8kV 接觸放電和 ±15kV 空氣放電，同時也符合 ISO 10605(330pF,330Ω)標(biāo)準(zhǔn)，為器件提供了可靠的靜電防護(hù)。

引腳配置與功能

規(guī)格參數(shù)詳解

絕對最大額定值

規(guī)定了器件在各種引腳電壓和電流方面的極限值，如電壓范圍在 - 0.3V 到 7V 或 18V 等，連續(xù)電流也有相應(yīng)的限制。超過這些額定值可能會對器件造成永久性損壞。

ESD 評級

具有良好的 ESD 防護(hù)能力，如人體模型 (HBM) 可達(dá) ±2000V，帶電設(shè)備模型 (CDM) 可達(dá) ±750V，符合 IEC 61000 - 4 - 2 和 ISO 10605 標(biāo)準(zhǔn)的接觸放電和空氣放電要求。

推薦工作條件

建議的工作電壓范圍為 4.5V 到 5.5V，工作結(jié)溫范圍為 - 40°C 到 125°C，輸出連續(xù)電流等參數(shù)也有相應(yīng)的限制，在這些條件下使用能確保器件的正常性能。

電氣特性

包括輸出功率開關(guān)的導(dǎo)通電阻、反向泄漏電流，輸入引腳的邏輯閾值電壓、滯回等參數(shù)，以及各種保護(hù)功能的觸發(fā)閾值和響應(yīng)特性等。

典型特性

通過一系列圖表展示了器件在不同溫度和負(fù)載條件下的性能表現(xiàn)，如功率開關(guān)導(dǎo)通電阻與溫度的關(guān)系、反向泄漏電流與溫度的關(guān)系等，為工程師在實(shí)際應(yīng)用中評估器件性能提供了參考。

功能特性詳細(xì)介紹

故障響應(yīng)

器件具有低電平有效、開漏的故障輸出 $FAULT$，在過溫、過流或過壓等故障條件下置低。不同的故障情況對應(yīng)不同的處理方式，如數(shù)據(jù)線上過壓時，TPD3S713 - Q1 會關(guān)閉 USB 數(shù)據(jù)開關(guān)和內(nèi)部電源開關(guān)，而 TPD3S713A - Q1 僅關(guān)閉 USB 數(shù)據(jù)開關(guān)，內(nèi)部電源開關(guān)保持開啟。

電纜補(bǔ)償

當(dāng)負(fù)載通過長或細(xì)的電線吸取電流時，會產(chǎn)生 IR 壓降，影響負(fù)載端的電壓。TPD3S713 - Q1 可檢測負(fù)載電流，并通過一個與負(fù)載電流成比例的吸收電流來調(diào)整上游穩(wěn)壓器的輸出電壓，補(bǔ)償充電路徑中的 IR 壓降。設(shè)計時需要根據(jù)總電阻等參數(shù)計算相關(guān)電阻值，并選擇合適的電容來穩(wěn)定輸出電壓。

DP 和 DM 保護(hù)

提供 ESD 和過壓保護(hù) (OVP)。$DP{IN}$ 和 $DM{IN}$ 引腳可提供高達(dá) ±15kV (空氣放電) 和 ±8kV (接觸放電) 的 ESD 保護(hù)，其性能受外部因素影響，如寄生電阻和電感等。同時，當(dāng)發(fā)生過壓情況時，會觸發(fā)保護(hù)機(jī)制，防止損壞上游 USB 收發(fā)器或集線器。

過流保護(hù)

檢測到過流情況時，器件會維持恒定的輸出電流，并相應(yīng)降低輸出電壓?？赡艹霈F(xiàn)兩種過載情況，無論哪種情況，電流限制電路響應(yīng)后，器件將工作在恒流模式，只有當(dāng)故障持續(xù)時間足夠長觸發(fā)熱限制時才會完全關(guān)閉，待結(jié)溫下降約 20°C 后重新啟動。

欠壓鎖定

欠壓鎖定 (UVLO) 電路可在輸入電壓達(dá)到開啟閾值之前禁用電源開關(guān)，內(nèi)置的滯回功能可防止因大電流浪涌導(dǎo)致的輸入電壓下降而引起的輸出振蕩。

熱關(guān)斷

有兩個獨(dú)立的熱傳感電路，當(dāng)溫度超過推薦工作條件時，可保護(hù)器件。第一個熱傳感器在器件處于限流狀態(tài)且管芯溫度超過 135°C 時關(guān)閉電源開關(guān)，第二個熱傳感器在管芯溫度超過 155°C 時關(guān)閉電源開關(guān)，且都具有 20°C 的滯回功能。

限流設(shè)置

TPD3S713x - Q1 有兩個獨(dú)立的限流設(shè)置，可通過外部電阻進(jìn)行調(diào)整。$ILIM_HI$ 和 $ILIM_LO$ 分別通過連接到 $GND$ 的電阻 $R{(ILIM_HI)}$ 和 $R{(ILIM_LO)}$ 進(jìn)行設(shè)置，由 $ILIM_SEL$ 引腳選擇。設(shè)計時需考慮電阻的公差對限流的影響。

器件功能模式

包括正常模式和客戶端模式。在客戶端模式下，內(nèi)部電源開關(guān)關(guān)閉，信號開關(guān)開啟，適用于通過 USB 端口進(jìn)行軟件升級。數(shù)據(jù)開關(guān)在客戶端和正常模式下均開啟，但僅適用于 USB - 2.0 差分對，對于 USB - 3.0 主機(jī)，超高速差分對需直接路由到 USB 連接器，不通過 TPD3S713x - Q1 器件。

應(yīng)用與實(shí)施建議

典型應(yīng)用

常用于汽車 USB 充電端口，為 $V_{BUS}$、$DP$ 和 $DM$ 引腳提供保護(hù)，防止過流、ESD 和電池短路等情況，保護(hù)上游 DC - DC 轉(zhuǎn)換器和汽車 SOC 或集線器芯片。

設(shè)計步驟

在選擇外部組件時，需要考慮輸入電容、輸出電容、$BIAS$ 電容和 TVS 等。輸入電容應(yīng)根據(jù)預(yù)期的瞬態(tài)條件進(jìn)行選型，并保持與 DC - DC 轉(zhuǎn)換器的路徑短，以減少電壓降；輸出電容可控制電壓下沖，對于 USB 端口應(yīng)用，應(yīng)選擇低 ESR 電容；$BIAS$ 電容有助于提高 IEC ESD 性能；TVS 可用于保護(hù) $BUS$ 和 $BIAS$ 引腳，防止電壓超過 18V。

電源供應(yīng)建議

電源供應(yīng)的額定電流應(yīng)高于限流設(shè)置，以避免在過流或短路情況下出現(xiàn)電壓降。

布局指南

布局時應(yīng)遵循一些最佳實(shí)踐，如輸入和輸出功率走線應(yīng)盡量短而寬，輸入電容應(yīng)靠近 $IN$ 引腳，連接到 $ILIM_HI$ 和 $ILIM_LO$ 引腳的電阻應(yīng)使用 1% 低溫度系數(shù)電阻，且走線應(yīng)盡量短，避免與開關(guān)信號耦合。同時，要考慮 ESD 防護(hù)、TVS 放置和高速數(shù)據(jù)線的布線等問題，以確保器件的性能和穩(wěn)定性。

總之，TPD3S713 - Q1 和 TPD3S713A - Q1 為汽車 USB 接口提供了全面的保護(hù)和良好的性能。電子工程師在設(shè)計過程中，應(yīng)充分了解器件的特性和參數(shù)，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需求進(jìn)行合理的選型和布局，以確保系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。大家在使用這兩款器件的過程中，有沒有遇到過什么特別的問題呢？歡迎在評論區(qū)分享交流。