【導(dǎo)讀】隨著USB PD 3.1 EPR標(biāo)準(zhǔn)全面普及，USB-C供電體系從傳統(tǒng)20V/100W邁入最高48V/240W大功率時代，廣泛應(yīng)用于AI算力設(shè)備、高性能筆記本、工業(yè)邊緣終端及便攜式儲能等高端場景。高壓VBUS總線在承載大功率傳輸?shù)耐瑫r，面臨ESD、EFT、線纜放電、雷擊浪涌等復(fù)雜瞬態(tài)干擾威脅，對系統(tǒng)防護(hù)的精度、穩(wěn)定性與可靠性提出更高要求。傳統(tǒng)PN結(jié)型TVS二極管普遍存在鉗位電壓偏高、隨電流與溫度波動大等短板，不僅防護(hù)裕量不足，還會拉高后級器件選型成本與PCB占用面積，難以適配48V高壓USB系統(tǒng)的設(shè)計需求。針對行業(yè)痛點，Semtech推出基于全新MOSFET拓?fù)浼軜?gòu)的SurgeSwitch?技術(shù)及TDS5311P專用防護(hù)器件，憑借恒定低鉗位特性與優(yōu)異抗瞬態(tài)性能，為高壓大功率USB供電鏈路提供全新高效、高冗余的防護(hù)解決方案。
USB Type-C接口已成為現(xiàn)代電子設(shè)備的通用接口。從筆記本電腦和智能手機(jī)到人工智能（AI）計算平臺和工業(yè)邊緣設(shè)備，USB Type-C僅通過一根線纜，即可同時實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸與大功率供電。隨著USB供電協(xié)議（USB PD）3.1及其擴(kuò)展功率范圍（EPR）的應(yīng)用落地（見表1），電源總線（VBUS）線路電壓已從大家熟知的20V/100W標(biāo)準(zhǔn)功率范圍拓展至28V、36V和48V，從而使單根USB C線纜最高可實現(xiàn)240W的供電能力。
這一技術(shù)演進(jìn)帶來了嚴(yán)峻的設(shè)計挑戰(zhàn)。更高的VBUS電壓對瞬態(tài)防護(hù)的鉗位電壓提出更高要求，專為該電壓等級而設(shè)計的傳統(tǒng)瞬態(tài)電壓抑制（TVS）二極管解決方案的鉗位電壓偏高，迫使設(shè)計人員必須選用更高耐壓等級的后級器件。Semtech的SurgeSwitch?技術(shù)填補(bǔ)了這一技術(shù)缺口，其全新的TDS5311P器件專為USB PD 3.1 EPR系統(tǒng)中48V VBUS防護(hù)而設(shè)計。
表1：USB-PD規(guī)格參數(shù)表
VBUS線路面臨日益嚴(yán)峻的防護(hù)挑戰(zhàn)
USB Type C接口中的VBUS引腳負(fù)責(zé)向受電的下游設(shè)備傳輸供電電壓。該引腳也會遭受各類電氣過應(yīng)力事件沖擊，包括靜電放電（ESD）、電快速瞬變（EFT）、線纜放電事件（CDE），以及由雷擊或配電切換引發(fā)的浪涌瞬態(tài)。
這些威脅并非臆想假設(shè)。當(dāng)帶電人體插拔連接器時，VBUS引腳哪怕遭遇一次未做防護(hù)的靜電放電事件，就可能損壞甚至徹底摧毀后級電源管理芯片（IC）與充電電路。浪涌事件攜帶的能量要大得多，會在整個輸入級產(chǎn)生破壞性的過壓。沒有用戶愿意看到高端計算機(jī)因靜電放電或浪涌事件而發(fā)生損壞。隨著USB PD EPR設(shè)備越來越多地應(yīng)用于工業(yè)和高性能計算（HPC）場景，這些挑戰(zhàn)的發(fā)生概率與危害程度也隨之提升。
圖1：采用SurgeSwitch技術(shù)實現(xiàn)VBUS引腳防護(hù)
為何鉗位電壓是至關(guān)重要的參數(shù)？
當(dāng)瞬態(tài)事件發(fā)生時，TVS防護(hù)器件進(jìn)入導(dǎo)通狀態(tài)，將VBUS引腳電壓鉗住至某一設(shè)定值，該電壓即為鉗位電壓。該數(shù)值是浪涌事件過程中系統(tǒng)所能承受的最大電壓，也是評估防護(hù)器件防護(hù)能力最重要的指標(biāo)。
在傳統(tǒng)的基于PN結(jié)結(jié)構(gòu)的TVS二極管中，鉗位電壓會隨浪涌電流增大而升高，并且還會隨溫度進(jìn)一步走高；這意味著，器件的最壞工況恰恰出現(xiàn)在條件最嚴(yán)苛的時候。此外，后級元器件選型必須能夠承受這類偏高的鉗位電壓，這會推高元器件的成本，同時增大所需的電路板占用面積。
Semtech的SurgeSwitch架構(gòu)采用了完全不同的技術(shù)思路。SurgeSwitch器件基于MOSFET 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)而設(shè)計，在全浪涌電流范圍內(nèi)可實現(xiàn)近乎恒定的鉗位電壓，且在整個工作溫度區(qū)間性能保持穩(wěn)定。結(jié)果就是，相比同等規(guī)格的傳統(tǒng)PN 結(jié)型TVS二極管，其鉗位電壓最高可降低30%，從而為后級芯片預(yù)留更大的安全裕量，允許工程師去選擇最大耐壓規(guī)格的元器件。
圖2：鉗位電壓與時間對比曲線圖（TDS5311P與傳統(tǒng)TVS二極管SMBM58A的對比）
創(chuàng)新產(chǎn)品TDS5311P：專為48V VBUS防護(hù)而設(shè)計的SurgeSwitch器件
TDS5311P是Semtech最新推出的SurgeSwitch器件，專為滿足USB PD 3.1 EPR系統(tǒng)中48V VBUS線路的防護(hù)需求而設(shè)計。其53V工作電壓可在48V總線電壓之上提供充足的電壓余量，同時其基于MOSFET的架構(gòu)可提供高壓USB設(shè)計所需要的近乎恒定的鉗位性能。
核心規(guī)格
為直觀說明鉗位電壓的實際優(yōu)勢：在類似測試條件下，一款48V USB PD應(yīng)用中常用的傳統(tǒng)TVS解決方案的鉗位電壓約為87V；而TDS5311P的鉗位電壓僅為63V，相比之下降低了約24V。這使得工程師可以為后級元器件選用耐壓規(guī)格更低的型號，既降低物料清單（BOM）成本、節(jié)省電路板占用面積，同時還提升了整體設(shè)計裕量。
圖3：Semtech TDS5311P封裝圖
應(yīng)用場景：USB PD 3.1 EPR系統(tǒng)
TDS5311P專為采用USB PD 3.1 EPR 48V工作模式的各類應(yīng)用而設(shè)計。如圖4所示，TDS5311P 并聯(lián)布置在USB Type C 端口輸入端的VBUS電壓軌上，發(fā)生瞬態(tài)事件時，可提供低阻抗鉗位泄放通路至地，而在正常工作條件下，對系統(tǒng)幾乎無影響。
48V USB PD EPR VBUS防護(hù)的典型設(shè)計目標(biāo)包括：
AI筆記本及計算設(shè)備：需要48V USB-C向高功率系統(tǒng)負(fù)載供電；
高性能擴(kuò)展塢：可通過VBUS電源軌同時為多臺后級設(shè)備供電；
便攜式儲能電源與移動電源：支持USB PD EPR輸出；
工業(yè)嵌入式計算平臺：具備USB C供電輸入、工作在瞬態(tài)干擾頻發(fā)環(huán)境下。
圖4：展示TDS5311P被部署在USB Type-C母座VBUS線路上的簡化應(yīng)用電路圖，其中箭頭指示瞬態(tài)電流對地泄放通路
圖5：Semtech SurgeSwitch產(chǎn)品組合
總結(jié)
盡管對USB VBUS防護(hù)的基本需求并未發(fā)生改變，但傳統(tǒng)解決方案的局限性已愈發(fā)凸顯。傳統(tǒng)TVS二極管雖得到廣泛應(yīng)用，但仍存在諸多缺陷，例如鉗位電壓偏高且波動大，同時具備較強(qiáng)的溫度依賴性。這些特性使其越來越難以適配現(xiàn)代大功率應(yīng)用場景。Semtech的TDS5311P SurgeSwitch器件可解決上述難題：具備近乎恒定的63V 鉗位電壓、峰值脈沖電流可達(dá)24A，完全符合IEC標(biāo)準(zhǔn)，同時具備基于MOSFET架構(gòu)的固有優(yōu)勢，從而可為USB PD 3.1 EPR系統(tǒng)的可靠運行提供所需的防護(hù)性能與設(shè)計裕量。依托創(chuàng)新MOSFET架構(gòu)，該器件實現(xiàn)了全工況近乎恒定的低鉗位電壓，相較傳統(tǒng)方案大幅降低鉗位峰值，顯著拓寬系統(tǒng)安全裕量，同時憑借低動態(tài)電阻、高抗浪涌能力與完備的靜電、瞬變防護(hù)性能，全面契合IEC國際防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)。
