探秘TPD4S311、TPD4S311A：USB Type - C端口保護(hù)的得力助手

在電子設(shè)備飛速發(fā)展的今天，USB Type - C接口憑借其強(qiáng)大的功能和便捷性，成為了各類設(shè)備的標(biāo)配。然而，隨之而來(lái)的端口保護(hù)問(wèn)題也日益凸顯。德州儀器（TI）的TPD4S311和TPD4S311A USB Type - C端口保護(hù)器，為解決這一問(wèn)題提供了出色的方案。今天，我們就來(lái)深入了解一下這兩款器件。

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一、特性亮點(diǎn)

1. 多通道保護(hù)

TPD4S311和TPD4S311A具備4通道VBUS短路過(guò)壓保護(hù)（CC1、CC2、SBU1、SBU2），可耐受24VDC電壓。同時(shí)，還提供4通道IEC 61000 - 4 - 2 ESD保護(hù)，為USB Type - C端口的關(guān)鍵引腳提供了全方位的防護(hù)。想象一下，在復(fù)雜的使用環(huán)境中，這些引腳可能會(huì)面臨各種電壓異常和靜電沖擊，而有了這兩款器件，就如同給它們穿上了一層堅(jiān)固的鎧甲。

2. VCONN電流支持

CC1和CC2過(guò)壓保護(hù)FET可支持VCONN通過(guò)電流。TPD4S311能支持400mA VCONN電流，而TPD4S311A更是能支持600mA VCONN電流。這對(duì)于需要通過(guò)CC引腳為有源電纜等設(shè)備提供電力的應(yīng)用來(lái)說(shuō)，至關(guān)重要。比如在一些高速數(shù)據(jù)傳輸或大功率充電的場(chǎng)景中，足夠的VCONN電流可以確保設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行。

3. 浪涌保護(hù)

TPD4S311A在CC引腳上提供±35V浪涌保護(hù)，SBU引腳上提供±30V浪涌保護(hù)。在實(shí)際使用中，浪涌可能會(huì)因?yàn)楦鞣N原因產(chǎn)生，如插拔設(shè)備時(shí)的瞬間電壓變化等。這種強(qiáng)大的浪涌保護(hù)能力，可以有效避免引腳因浪涌而損壞。

4. 集成無(wú)電電池電阻器

集成CC無(wú)電電池電阻器，可用于處理移動(dòng)設(shè)備中的無(wú)電電池用例。當(dāng)設(shè)備電池沒(méi)電時(shí)，這個(gè)功能可以讓設(shè)備依然能夠通過(guò)USB Type - C接口進(jìn)行充電和通信，為用戶提供了極大的便利。

5. 小巧封裝

采用1.69mm × 1.69mm DSBGA封裝，大大節(jié)省了PCB空間。對(duì)于追求小型化和高密度設(shè)計(jì)的電子產(chǎn)品來(lái)說(shuō)，這樣的封裝無(wú)疑是一個(gè)福音。

二、廣泛應(yīng)用

TPD4S311和TPD4S311A的應(yīng)用范圍十分廣泛，涵蓋了臺(tái)式計(jì)算機(jī)/主板、標(biāo)準(zhǔn)筆記本電腦、Chromebook和WOA集線站、端口/線纜適配器和加密狗以及智能手機(jī)等眾多領(lǐng)域。無(wú)論是在大型的計(jì)算機(jī)設(shè)備中，還是在小巧的智能手機(jī)里，它們都能發(fā)揮出重要的保護(hù)作用。

三、工作原理與優(yōu)勢(shì)

1. 短路過(guò)壓保護(hù)

自從USB Type - C連接器發(fā)布以來(lái)，市場(chǎng)上出現(xiàn)了很多不符合規(guī)格的產(chǎn)品和配件。例如，一些僅在VBUS線路上布設(shè)20V電壓的適配器，以及連接器引腳短路等問(wèn)題，都可能導(dǎo)致CC和SBU引腳承受過(guò)高的電壓。TPD4S311通過(guò)在CC和SBU引腳上提供過(guò)壓保護(hù)，將高壓FET串聯(lián)放置在SBU和CC線路上。當(dāng)檢測(cè)到高于OVP閾值的電壓時(shí)，高壓開關(guān)打開，將系統(tǒng)的其余部分與連接器上的高壓狀態(tài)隔離，從而使CC和SBU引腳能夠耐受20V的電壓，同時(shí)不干擾正常運(yùn)行。

2. ESD保護(hù)

大多數(shù)系統(tǒng)都需要為其外部引腳應(yīng)用IEC 61000 - 4 - 2系統(tǒng)級(jí)ESD保護(hù)。TPD4S311為CC1、CC2、SBU1和SBU2引腳集成了該ESD保護(hù)，無(wú)需再在連接器上（外部）放置高電壓TVS二極管。這不僅簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)，還降低了成本。

四、規(guī)格參數(shù)詳解

1. 絕對(duì)最大額定值

器件的絕對(duì)最大額定值規(guī)定了其能夠承受的最大應(yīng)力。例如，輸入電壓VPWR的范圍為 - 0.3V至5V，輸出電流C_CC1、C_CC2（TPD4S311）最大為950mA，C_CC1、C_CC2（TPD4S311A）最大為1.2A等。超出這些額定值可能會(huì)導(dǎo)致器件永久損壞，因此在設(shè)計(jì)時(shí)必須嚴(yán)格遵守。

2. ESD評(píng)級(jí)

包括JEDEC規(guī)范和IEC規(guī)范的ESD評(píng)級(jí)。如人體模型（HBM）為±2000V，IEC 61000 - 4 - 2接觸放電CC引腳為 + 8000V等。這些評(píng)級(jí)表明了器件在面對(duì)靜電放電時(shí)的耐受能力。

3. 推薦工作條件

推薦工作條件給出了器件正常工作的最佳參數(shù)范圍。例如，輸入電壓VPWR的推薦范圍為2.7V至4.5V，VCONN電流在不同條件下有不同的限制等。遵循這些條件可以確保器件的性能和可靠性。

4. 電氣特性

電氣特性詳細(xì)描述了器件的各項(xiàng)性能指標(biāo)。如CC OVP FET的導(dǎo)通電阻、等效導(dǎo)通電容、OVP閾值和滯回等。這些參數(shù)對(duì)于評(píng)估器件在實(shí)際電路中的表現(xiàn)至關(guān)重要。

五、應(yīng)用設(shè)計(jì)要點(diǎn)

1. VBIAS電容選擇

VBIAS引腳需要一個(gè)至少35 - VDC額定的電容，推薦使用50 - VDC額定的X7R電容。這是因?yàn)樵赟hort - to - VBUS事件中，VBIAS引腳可能會(huì)承受較高的電壓，合適的電容可以避免其被損壞，同時(shí)提高器件的性能。

2. 死電池操作

如果需要支持死電池充電，需要將RPD_G1和RPD_G2引腳分別短接到C_CC1和C_CC2引腳。同時(shí)，要確保TPD4S311和PD控制器在死電池模式下能夠協(xié)同工作，避免出現(xiàn)無(wú)限循環(huán)充電等問(wèn)題。

3. CC線電容

USB PD對(duì)CC線的電容有一定的要求，電容值必須在200pF至600pF之間。因此，在設(shè)計(jì)時(shí)需要綜合考慮TPS65982、TPD4S311和外部電容的電容值，確保滿足規(guī)范要求。

4. 額外ESD保護(hù)

如果需要在CC或SBU線上添加額外的IEC ESD保護(hù)，應(yīng)使用反向耐壓高于21.5V的ESD保護(hù)二極管，避免使用深回滯二極管，以防止在Short - to - VBUS事件中二極管損壞。

5. FLT引腳操作

當(dāng)C_CCx或C_SBUx引腳發(fā)生Short - to - VBUS事件時(shí)，F(xiàn)LT引腳會(huì)在20μs（典型）內(nèi)發(fā)出信號(hào)。此時(shí)，建議在PD控制器中強(qiáng)制斷開連接，以避免其他設(shè)備或電纜受損。

6. 未使用引腳連接

如果RPD_Gx引腳未使用，必須將其連接到GND，以確保器件的正常工作。

六、布局建議

1. 布局準(zhǔn)則

• 旁路電容應(yīng)盡可能靠近VPWR引腳，ESD保護(hù)電容應(yīng)盡可能靠近VBIAS引腳，并連接到堅(jiān)實(shí)的接地。這樣可以減少Short - to - VBUS和ESD沖擊等瞬態(tài)事件時(shí)的電壓干擾。
• SBU線應(yīng)盡量直線布線，減少尖銳彎曲。
• 對(duì)于C_CC1、C_CC2、C_SBU1、C_SBU2，應(yīng)遵循標(biāo)準(zhǔn)ESD建議，將器件盡可能靠近連接器放置，減少EMI耦合的可能性。
• 保護(hù)走線應(yīng)盡量直線，避免尖銳角落，可使用大半徑圓角來(lái)消除角落。

2. 布局示例

文檔中提供了布局示例，通過(guò)合理的布線和元件放置，可以有效提高信號(hào)完整性，減少干擾。

七、總結(jié)

TPD4S311和TPD4S311A作為USB Type - C端口保護(hù)的優(yōu)秀解決方案，具有多通道保護(hù)、強(qiáng)大的浪涌和ESD保護(hù)能力、支持VCONN電流等眾多優(yōu)點(diǎn)。在設(shè)計(jì)USB Type - C系統(tǒng)時(shí)，電子工程師需要充分考慮其規(guī)格參數(shù)和應(yīng)用設(shè)計(jì)要點(diǎn)，合理布局，以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。同時(shí)，我們也要不斷關(guān)注市場(chǎng)上的新技術(shù)和新產(chǎn)品，為電子設(shè)備的發(fā)展提供更優(yōu)質(zhì)的設(shè)計(jì)方案。你在使用類似的端口保護(hù)器件時(shí)，遇到過(guò)哪些問(wèn)題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見(jiàn)解。