隨著USB應用技術的快速發展,Type-C已可實現在一個小型端口支援正反插、超高速80Gbps雙向數據傳輸、傳輸多媒體影音訊號予外部顯示器及高功率PD電源規格特性(目前最常見的應用為20V/5A),因此已成為筆電、手機、車載與高階電子設備的標配介面,但在端口提供便利性的同時亦迎來更高的訊號完整性與防護設計挑戰。
由於USB Type-C端口在8.6mm*2.6mm小型空間內容納了24 pins,導致在實際應用中很容易發生相鄰pin腳短接,其中包含電源線與高速差動訊號(TX1-, RX2-, RX1-, TX2-),一旦熱插拔過程中發生VBUS pin誤觸TX/RX pin,便可能造成TX/RX pin 之TVS防護元件損壞,如圖(一)、圖(二)。


圖(二). USB Type-C 端口介面腳位示意圖
實務熱插拔過程中常見TX/RX線被誤接至VBUS的情況:
• Connector機構不密合:長期使用而造成端口鬆動,接觸不緊密導致腳位搖晃短接。
• Connector或線材尺寸規格稍有偏差:端口廠商設計及製造之偏差或使用非原廠及未認證線材。
• 環境積塵及水氣:使用環境中的積塵及水氣造成積污導電 這些情境下的電壓皆非瞬態ESD,而為持續性直流電壓輸入,容易讓低工作電壓的TVS防護元件長時間導通甚至造成短路失效。
舉例來說,以目前消費型市場最常見的PD應用電壓為20V,可能發生最危險的情況就是當VBUS在正常提供20V電源電壓時,VBUS因上述情景短接到TX/RX pin,如果使用常見VRWM=1.5V之TVS防護元件,其崩潰電壓約為5V,此時VBUS 20V電壓會直接使TVS防護元件長時間導通而燒毀,參考圖(三)。
而若選用VRWM >20V之TVS雖然可以解決此問題,但此類元件的箝制電壓會很高,ESD防護效果較差,可能會導致ESD測試不通過,所以在端口防護設計時,除了要避免短接燒毀外,也要同時考量到系統ESD防護能力,因此晶焱科技推出了專門針對這種應用場景之料件AZ5H23-02M。

圖(三). USB Type-C 端口VBUS 20V與TX/RX pin短接示意圖
為有效避免上述風險及達到系統ESD防護之需求,元件需同時滿足「高崩潰電壓、低電容值、低箝制電壓」,AZ5H23-02M無疑是最佳選擇
• AZ5H23-02M崩潰電壓(VBV) > 24V,有別於以往1.5V TVS之崩潰電壓(VBV)5V,其為確保即便 VBUS在PD 20V正常供電下,TVS元件也不會因短接而導通,避免自身損壞後造成功能異常。
• AZ5H23-02M具備極低電容特性,電容值(CIN)為0.2pF,USB3.2傳輸速率高達10Gbps,任何過高的寄生電容都可能造成訊號眼圖(eye diagram)塌陷、訊號品質不良。
• AZ5H23-02M箝制電壓(VClamp)足夠低以提供ESD事件的真實防護:雖然本場景主題為 VBUS短接,但在常規ESD測試(IEC61000-4-2 ±8kV contact)下,AZ5H23-02M仍須具備快速響應與低鉗位能力,IEC61000-4-2 8kV下箝制電壓(VClamp)為10V,保護CPU不受ESD侵害。
• AZ5H23-02M 與以往高速應用之TVS防護元件相同,皆為0.6mm*0.3mm封裝大小(參考圖(四)),但在同樣的封裝下AZ5H23-02M為雙通道元件,單顆可以防護兩條訊號線,對於電路板大小有限的小型設備節省更多Layout空間,建議Layout圖請參考圖(五)。

圖(四). 對比單通道0201封裝的Layout示意圖
圖(五). AZ5H23-02M雙通道0201封裝建議Layout示意圖