摘要：随着USB接口协议的发展和完善，越来越多智能产品选用USB Type-C接口，其支持的影音数据传输内容更多样，传输速率也更快，当然信号传输也更加容易受到外界突波的干扰，因此利用TVS针对突波防护的方案也要变得更加严谨，但是在方案选型时如果不考虑TVS的工作电压等参数，一味地追求选择更低钳位电压的TVS产品，就可能会造成TVS出现Latch-up风险，导致Type-C接口的正常通信受影响，严重的话就会因为EOS（电气过应力）损坏电路。
面对电子产品接口中复杂的信号线以及电源线，如何做到正确而有效的瞬态突波防护，其中在接口处添加TVS应是最有效的防护方案。
一、Type-C接口介绍
USB（Universal Serial BUS）作为通用串行总线接口，具有传输速度快，连接灵活，使用方便，支持热插拔，独立供电等优点，被广泛的应用于各类电子产品中。USB接口定义也从最初的USB 1.0版本，更新到最新的USB 4版本。其中，如今最炙手可热的接口协议当属USB 3.1协议。
USB 3.1协议并不像USB 2.0只规定了Type A和Type B接口类型定义，USB 3.1协议包括三种接口标准：Type-A（Standard-A）、Type-B（Micro-B）以及Type-C，和两种技术标准：USB 3.1 Gen1，USB 3.1 Gen2。其中Type-C接口被广泛应用到手机，平板，笔记本电脑等电子产品中。
| USB 官方版本名 | 原名 | 理论最大传输速率 | 官方市场代号 | 推出时间 | |
| USB 2.0 | USB1.0 | 1.5Mbps | Low-Speed | 1996年1月 | |
| USB 2.0 | USB1.1 | 12Mbps | Full-Speed | 1998年9月 | |
| USB 2.0 | USB2.0 | 480Mbps | High-Speed | 2000年4月 | |
| USB 3.2 | USB3.1 Gen 1 | 5Gbps |
Super-Speed USB | 2008年11月 | |
| USB 3.2 | USB3.1 Gen 2 | 10Gbps | Super-Speed USB 10Gbps | 2013年6月 | |
| USB 3.2 |
USB3.2 Gen 2x2 |
20Gbps | Super-Speed USB 20Gbps | 2017年9月 | |
| USB 4 |
USB4 Gen 3x2 |
40Gbps | USB4 40Gbps | 2019年9月 | |
USB 3.2 Gen2x2协议Type-C接口，最高可达20Gbps的信号传输速率，并且支持PD （Power Delivery）快充协议，最高支持20V/5A，即100W的传输功率。由于Type-C不仅提升了数据传输的速率，也加大了电源传输的功率，所以在实际应用中，为了保证数据传输不被突波干扰，电源传输的稳定，在接口处添加TVS防护显得尤为重要。
图1. USB Type-C Receptacle Pins
二、 什么是Latch-up ？
Latch-up为闩锁效应，是CMOS制作工艺中产生的寄生效应，闩锁效应由NMOS的有源区、PMOS的有源区、P衬底、N阱构成的P-N-P-N结构产生，当其中一个三极管发生正偏时，就可能构成正反馈形成闩锁效应。
图3. Latch-up等效电路
在SCR电路P-N-P-N结构没有被触发时，两个BJT处于截止状态，集电极电流是由集电极到基极反向漏电流构成，电流增益非常小，此时Latch-up不会产生。当外部干扰导致其中一个BJT的集电极电流突然增加到一定值时，会反馈至另一个BJT，从而使两个BJT因误触发而导通，VDD至GND（VSS）间形成低阻抗通路。之后就算外界干扰消失，由于两个三极管之间形成正反馈，VDD至GND（VSS）间持续出现大电流，Latch-up由此而产生。
在IC芯片实际应用中，容易产生Latch-up的原因主要有以下几种：
1. 芯片上电工作时，VDD电压变化太大有可能导致Latch-up产生。
2. ESD，Surge等瞬态突波事件发生时，电路中产生大电流可能引起Latch-up。
3. 当电路的负载过大时，导致电源与GND电压变化，也有可能打开SCR的一个BJT而产生Latch-up。
4. 若在 3.3V 以上工作电压的讯号线或电源采用回拉 (snap-back) 电压低于 3.3V 的保护器件，当上述瞬态突波事件发生时，可能因 latch-up 导致严重的系统烧毁。
市场中TVS产品设计类型多种多样，晶焱科技的TVS产品主要采用三类设计：传统二极管PN节设计；N-P-N的BJT设计；SCR电路设计。其三者特性曲线如下：
图4. TVS 特性曲线
在Type-C接口的防护电路中，如果TVS选型不恰当，使用SCR电路设计的TVS应用在VBUS端或者CC Pin线路时，更容易发生Latch-up风险，当然信号线同样也会发生此风险。主要原因是ESD、Surge等瞬态突波耦合到接口线路时，外部突波电压高于TVS的击穿电压时，TVS就会导通开启。若因为选型不当，TVS开启后Snap-back电压（Vsb or Vhold），低于电源正常工作电压Vbus或者Data信号电压的最大值VMAX，即使外部突波干扰消失，TVS也会一直保持导通状态，此时电流大量增加，电源电压将被拉低或者正常信号传输将被干扰，严重时TVS烧毁短路，造成器件或者整个电路被EOS损坏。
Type-C接口在使用时常常是带电拔插，极其容易出现插拔浪涌或者ESD cable discharge突波干扰，为避免TVS在Type-C接口的实际应用中出现Latch-up风险，我们在TVS选型时，不仅仅要保证TVS的工作电压VRWM高于电路正常工作电压或者信号电压的最大值，同时我们更要考虑TVS导通后，出现snap-back特性的TVS产品，回拉后的最低电压Vsb or Vhold，一定要高于电路正常工作电压的最大值。
三、Type-C接口的TVS方案推荐
由于完整的Type-C接口Power和Data lines加起来的数量比较多，晶焱科技推荐TVS保护方案时按信号分三部分：VBUS power 保护；TX、RX data lines保护；D+、D-、CC、SBU data line保护。
1. 由于Type-C支持PD快充协议，常用的VBUS传输电压有5V和12V，最高可支持20V电压传输，所以在针对VBUS防护时，我们需要选择合适工作电压的TVS防护方案。在选择钳位电压更低的TVS同时，也要保证不会发生Latch-up，下表是晶焱科技推荐应用在Type-C VBUS power line的ESD and EOS保护方案：
| Part No |
Application |
VRWM (V) | VCL-ESD(V) @ 8kV | VCL-Surge (V) @ 5A | IPP(A) | Package |
| AZ3105-01F | Only for 5V VBUS | 5 | 6 | 6.4 | 80 | DFN1610P2E |
| AZ4507-01F | Only for 5V VBUS | 7 | 10 | 8.5 | 100 | DFN1610P2E |
| AZ4510-01F
| For VBUS ≤ 10V | 10 | 13 | 21 | 80 | DFN1610P2E |
| AZ4512-01F | For VBUS ≤ 12V | 12 | 15 | 14.5 | 38 | DFN1610P2E |
| AZ4520-01F | For VBUS ≤ 20V | 20 | 25.5 | 25.5 | 24 | DFN1610P2E |
| AZ4307-01F | For VBUS ≤ 7V | 7 | 9.5 | 8.3 | 180 | DFN2020P2E |
| AZ4310-01F | For VBUS ≤ 10V | 10 | 13 | 11.7 | 150 | DFN2020P2E |
| AZ4712-01F | For VBUS ≤ 12V | 12 | 15 | 14.8 | 225 |
DFN2020P2E |
| AZ4715-01F | For VBUS ≤ 15V | 15 | 18 | 17 | 170 | DFN2020P3E |
| AZ4718-01F | For VBUS ≤ 18V | 18 | 22 | 22 | 138 | DFN2020P3E |
| AZ4724-01F |
For VBUS ≤ 20V |
24 | 28 | 28 | 125 | DFN2020P3E |
表2. TVS solution for Type-C VBUS
2. TX/RX作为高速数据传输线路，我们选择TVS保护时，要选择低电容产品，避免出现容值过高而影响Type-C接口的信号完整性，以下是晶焱科技推荐应用在高速信号TX/RX线路的保护方案：
| Part No |
Channel # |
VRWM (V) | VCL-ESD(V) @ 8kV | Capacitance (pf) | Package |
| AZ1043-04F | 4 lines | 3.3 | 10.5 | 0.45 | DFN2510P10E |
| AZ1043-08F | 8 lines | 3.3 | 9 | 0.5 | DFN3810P9E |
| AZ1743-04F | 4 lines | 3.3 | 9.5 | 0.4 | DFN1308P5Z |
| AZ176S-04F | 4 lines | 1.5 | 4.3 | 0.29 | DFN2510P10E |
| AZ5B8S-01F |
1 lines |
1.5 | 5.5 | 0.18 | DFN0603P2Y |
表3. TVS solution for Type-C TX/RX
3. USB D+/D-数据线，以及辅助通信CC、SBU信号线TVS保护推荐：
| Part No | Channel # | VRWM (V) | VCL-ESD(V) @ 8kV | Capacitance (pf) | Package |
| AZ1045-04F | 4 lines | 5 | 12 | 0.5 | DFN2510P10E |
| AZ1045-08F | 8 lines | 5 | 10.5 | 0.5 | DFN3810P9E |
| AZ5425-01F | 1 lines | 5 | 24 | 0.8 | DFN1006P2E |
| AZ5515-02F | 2 lines | 5 | 10 | 0.8 | DFN1006P3X |
| AZ5B85-01B | 1 lines | 5 | 11 | 0.5 | CSP0603P2Y |
| AZC099-04S |
4 lines |
5 | 11.5 | 1.0 | SOT23-6L |
| AZC199-04S |
4 lines |
5 | 11 | 1 | SOT23-6L |
表4. TVS solution for Type-C D+/D-/CC/SBU
参考文献:
[1]. USB官方网站：https://www.usb.org/