使用USB Type-C电缆快速充电的一大问题

作者：Todd Phillips时间：2019-08-12来源：电子产品世界收藏

Todd Phillips（Littelfuse公司电子业务部）

本文引用地址：http://www.amcfsurvey.com/article/201908/403608.htm

摘要：符合USB-PD和USB Type-C规格的快速充电器和电缆可支持高达100 W的充电功率，因此，设计者需要考虑与电缆到设备连接处的电源和温度管理相关的安全问题。紧凑型的PolySwitch setP数字温度指示器是为保护USB-C电缆免受过温状况影响而开发的最新器件之一。

关键词：USB Type-C；USB-PD；充电

引言

　　电缆到设备的连接可能会积聚污染物，导致它们快速升温，从而容易损坏或毁坏电缆和移动设备。解决方法：更好的电路设计和温度监控。

　　尽管智能手机和其他移动设备的无线充电越来越普及，但充电线不太可能很快完全消失。这是因为有线充电为某些用户提供了超越无线充电的显著优势——主要是有线充电提供了更快的充电速度。

　　USB开发者论坛（USB-IF）开发的USB供电（USB-PD）和USB Type-C连接器以及电缆组件规范是最新一代有线充电解决方案的核心。USB供电规范通过单根电缆提供更灵活的电力传输和数据，实现了USB的最大功能。

　　符合USB-PD和USB Type-C规格的快速充电器和电缆可支持高达100 W的充电功率。根据所涉及的设备，这意味着他们可以比无线充电器更快地为手机或其他设备充电。带有足够长电缆的有线充电器还允许用户在充电时与他们的设备保持互动，这对于经常使用手机的人来说是一个主要优势。

　　尽管这些优点对用户很重要，但对于设计人员来说，考虑与电缆到设备连接处的电源和温度管理相关的安全问题同样重要。如果没有适当的电路设计（包括温度监测），电缆和连接器可能会在连接内部积聚污染物，导致它们快速升温，从而容易损坏或损坏电缆和移动设备。

1 USB Type-C有线充电的基础知识

　　在任何充电系统中，三个独立的产品必须一起工作——正在充电的设备、电缆和充电器。USB Type-C（或USB-C）电缆具有一个或多个对称（因此可逆）24针连接器。USB-C充电器的一端有一个AC插头（用于插入墙上插座），另一端是带有USB-C连接器的电缆（用于插入要充电的设备）或用于插入在USB-C电缆中的USB-C输出端口。

　　从安全角度来看，USB-C电缆必须能够承载适当的电压和电流。对于带有外加电缆或固定电缆的充电器，电缆必须能够承载充电器的最大输出电压。带有USB-C插头的电缆必须能够承载21 V电压和至少3 A的电流。带有特殊电子标记IC的电缆可承载5 A的电流。放置在电源路径中的任何器件，尤其是保护器件，也必须能够承受这些电压和电流。

2 USB-C充电损坏的根源

USB-C连接器的引脚间距为0.5 mm——比USB Type-A连接器中的2.5 mm引脚间距更紧密。这种更紧凑的间距显著增加了可能导致发热的故障风险。当连接器针脚变形或变脏，金属颗粒、头发或其它碎屑卡在USB-C电缆连接器中时，可能会产生电源线到地的阻抗故障。即使仅增加很小的电流时，这些阻抗故障仍可能导致危险的温升。损坏电缆和设备，甚至引起火灾的情况已经被报道（图1）。

　　保护USB电缆免于过热的传统方法包括在V_BUS电源线上放置聚合物正温度系数器件（PPTC）或微型断路器（也称为热断路器）。所选择的器件将被放置在连接器内部的印刷电路板上，以感测由阻抗故障引起的温度升高。

　　然而，当试图保护高达100 W时，使用这种方法可能会对设计工程师造成挑战。在电源线路中添加保护装置的一个缺点是：其电阻，即使只是毫欧姆的电阻，也会造成有效功率损失，使制造商更难满足强制性的效率要求。

　　USB-C连接器的封闭性也会使其很难安装保护装置。适用于保护60 W充电器的PPTC通常使用1210（3.2 mm×2.5 mm）的封装，而小型断路器通常更大。用来保护100 W的PPTC和微型断路器需要更大的封装。此外，微型断路器的机械结构相对较弱，电缆组装过程有可能使其所用的双金属片材料变形，这将阻止它们对热故障提供保护。

3 新位置的新保护装置

　　解决这些缺点的一种方法是将一款不同类型的保护器件放置在USB-C连接器的数据线（CC）上，而不是V_BUS线上。紧凑型（2.0 mm×1.2 mm）的PolySwitch setP数字温度指示器（图2）是为保护 USB-C电缆免受过温状况影响而开发的最新器件之一。setP器件感应到温度升高，然后“告警”使系统关闭电源。